Die Bedeutung einiger anorganischer Komponenten des Seewassers für die Turgorregulation vonChaetomorpha linum (Cladophorales)

Helgoland Marine Research, Oct 1964

Some algae of the intertidal zone are capable of regulating their turgor pressure. In 1896Drevs had already shown that this process is affected primarily by accumulation (positive turgor-regulation) or extrusion (negative turgor-regulation) of mineral salts and that transformation of stock material (e. g. starch) into osmotic active substances (e. g. sucrose) and vice versa plays no important role. His results are being confirmed by the present paper. InChaetomorpha linum (Müller)Kützing, lowering of salinity resulted in a significant release of potassium and chlorine (negative turgor-regulation). Changes in sodium content were only small. In algae exposed to a salinity of 30‰, the total sodium concentration was only about 10% that of the external medium. Salinity increase led to a marked accumulation (positive turgor-regulation) of potassium and chlorine. Even in this process sodium was engaged only to a small degree — despite its high concentration in the surrounding medium. In both cases internal changes in sodium content amounted only to about 5% of the total osmotic changes in the external medium. After transfer from 30‰ salinity into isosmotic artificial sea water without Ca··, a rapid loss of potassium and chlorine was observed. The abrupt decrease of the calcium content accompanied by a marked swelling of cell walls, leading to a significant reduction of cell space, is interpreted as ion exchange process changing the cell wall Ca.. against Na..

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Die Bedeutung einiger anorganischer Komponenten des Seewassers für die Turgorregulation vonChaetomorpha linum (Cladophorales)

Chaetomorpha linum (Cladophorales) Biologische Anstalt Helgoland Meeresstation Helgoland The importance of some inorganic components of sea water for the turgorregulation of Cbaetomorph¢ linura (Chladophorales). Some algae of the intertidal zone are capable of regulating their turgor pressure. In 1896 DxEvs had already shown that this process is affected primarily by accumulation (positive turgor-regulation) or extrusion (negative turgot-regulation) of mineral salts and that transformation of stock material (e. g. starch) into osmotic active substances (e. g. sucrose) and vice versa plays no important role. His results are being confirmed by the present paper. In Chaetomorpha linurn (MOLLER) KOTZINC, lowering of salinity resulted in a significant release of potassium and chlorine (negative turgor-regulation). Changes in sodium content were only small. In algae exposed to a salinity of 30°o, the total sodium concentration was only about 10% that of the external medium. Salinity increase ted to a marked accumulation (positive turgor-regulation) of potassium and chlorine. Even in this process sodium was engaged only to a small degree - despite its high concentration in the surrounding medium. In both cases internal changes in sodium content amounted only to about 5 % of the total osmotic changes in the external medium. Aiter transfer from 30 %0 salinity into isosmotic artificial sea water without Ca", a rapid loss of potassium and chlorine was observed. The abrupt decrease of the calcium content accompanied by a marked swelling of cell walls, leading to a significant reduction of cell space, is interpreted as ion exchange process changing the cell wail Ca" against N a . - E I N L E I T U N G Die meisten biochemischen Reaktionen, welche fiir einen Organismus lebenswichtig sind, linden in vitro nur unter Einhaltung ganz bestimmter physikochemischer Bedingungen statt. Der Organismus als Ganzes vermag hingegen im allgemeinen noch unter Urnweltverh~iltnissen zu existieren, die y o n diesen hochspezifischen In-vitroBedingungen nicht unbetr~ichtIich abweichen. Diese erstaunliche F~ihigkeit, die schon bei den ,,einfachsten" Protophyten und Protozoen mehr o d e r weniger deutlich ausgepr~igt ist, beruht auf der regulativen Organisation aller Lebewesen. Sic ermSglicht es ihnen, je nach den 5kologischen Erfordernissen ihrer Umwelt sich den verschiedensten, fiir den Ablauf der biochemischen Grundprozesse stSrenden Milieueinfliissen bis zu einem gewissen Grade zu entziehen und an den Reaktionsorten jene Bedingungen aufrechtzuerhalten, unter denen allein die lebenswichtigen Reaktionen mtSglich sind. Regulationsvorg~inge geh~Sren also zu den allgemeinsten und wichtigsten Lebens~iuf~erungen. Ftir Meeresalgen von Standorten mit stark wechselndem Salzgehalt spielt besonders die Regulation des Zellturgors eine bedeutsame Rol!e. Wie diese bei der Griinalge Chaetomorpha linurn (MiJLI.ER) K/)TZINGvonstatten geht, und welche Bedeutung da bei einigen anorganischen Komponenten des Seewassers zukommh soll durch die folgende Arbeit gezeigt werden. ALLGEMEINES Definitionsgemiii~ ist der Turgor (PT), d. i. der reelle hydrostatis&e Druck innerhalb einer Pflanzenzetle, im osmotisehen Gleichgewicht gleich der Differenz zwischen den osmotischen Potentialen yon Innen- (;ri) und Auf~enmedium (xe). Diese Gleichgewichtsbedingung l~illt sich also in die Formel kleiden: PT ~ ~ i - ~ e Aus dieser Gleichung ergibt sich, dat~ jede Erh~Shung der osmotischen Konzentration des Aui~enmediums eine Herabsetzung des Turgors zur Folge haben mug und umgekehrt - vorausgesetzt, dat~ das osmotische Potential des Innenmediums dabei keine Ver~inderung erf~ihrt. Fiir Meeresalgen, die an Standorten mit stark wechselndem Salzgehalt leben, insbesondere also fiir Formen der Gezeitenzone, wiirde dies bedeuten, dai~ sie bei Erh~Shung des Salzgehaltes - etwa beim Eindunsten kleiner Wasseransammlungen auf dem Watt zur Ebbezeit - st~indig der Gefahr der Plasmolyse ausgesetzt w~iren. Andererseits wiirde eine iibernormale Erh~Shung des Turgors nach pl&zlicher Aussiit~ung, etwa durch Regengtisse, ftir die Litoratalgen die nicht minder grot~e Gefahr des Piatzens heraufbeschw~Sren. H(SFLEa(1931), BIEBL(I937) und COLLANDER(1939) konnten diesen Vorgang unter natiirlichen Bedingungen an einigen grot~zelligen Algen studieren. Manche Formen von besonders exponierten Standorten, darunter auch Chaeto morpha linum, sind nun in der Lage, diesen Gefahren dutch Regulation ihres Turgors zu begegnen. Sie k~nnen bei Anderungen des Salzgehaltes im Auf~enmedium auch das osmotische Potential ihres Zellsahes im gleichen Sinn und Ausmaf~ ver~indern. Der Zellturgor als Differenz dieser beiden Gr&~en bleibt auf diese Weise stets ann~ihernd konstant bzw. erreicht nach Ablauf der Regulationsvorg~inge etwa wieder seinen Ausgangswert. In Abb. 1 sind diese Vorg~inge- ausgehend yon dem Normalzustand (A) - fiir die p o s i t i v e T u r g o r r e g u 1a t i o n (B) ( = ErhtShung des osmotischen Potentials des Zellsaftes nach Anstieg des Salzgehaltes im Aui~enmedium) und fiir den entgegengesetzten Fall der n e g a t i v e n T u r g o r r e g u l a t i o n (C) schematisch dargestellt. Di~vs (1896), der sich als erster eingehender mit der Frage nach dem Mechanismus der Turgorregulation befaf~te, konnte u. a. auch an Chaetomorpha linum feststellen, daf~ bei diesem Vorgang die Umwandlung yon Speicherprodukten in osmotisch aktive Substanzen - etwa yon St~irke in Zucker - und umgekehrt keine Rolle spielt. Durch Veras&ung yon Materialproben aus Medien verschiedenen Salzgehaltes und gravimetrische Bestimmung des mineralischen Rii&standes kam er vidmehr zu dem Schlut~, daf~ den Salzen des Seewassers bei der Regulation des Turgors eine entscheidende Bedeutung zukommen miisse. Zu dem gldchen Ergebnis kam BUCHHEIM(1915), der an der verwandten Art Chaetomorpha aerea land, dat~ bei Algenf~iden, die in hypertonische SeewasserRSsungen mit verschiedenem Rohrzuckergehalt tibertragen worden waren, ein Riickgang der Plasmolyse nur in den Versuchsansiitzen mit Seewasserzusatz zu beobachten war. In reinen Rohrzuckerl~Ssungen blieben die Zellen plasmolysiert. Durch eigene Beobachmngen (KEssELEe, 1960, p. 122) konnte schlief~lid'i festgestellt werden, dai~ Zellen yon Chaetomorpha Iinum auch ohne osmotische Belastung im Laufe der Zeit ihren Turgor verloren, wenn sie in eine salzfreie, seewasserisotonische Rohrzu&erl&ung iibertragen wurden. Nach Rii&fiihrung in normales Seewasser wurden sie dagegen rasch wieder turgeszent. Diese Beobachtungen zeigen, dal~ die Salze des Aut~enmediums - zumindest jedenfalls einige yon ihnen - fiir das Funktionieren des Turgorregulationsmechanismus unentbehrtich sind. Die positive Turgorregulation, bei der das osmotische Potential des Zellsa~es eine Steigerung erf~ihrt, mug Schema der Turgorregulationsvorg~4nge (A,B,C) und ihrer Deutung durch Drevs (a,b,c) B Arm, ~e ' 1 0 ~ Ausgan szustand Q 5 ~ 0 0 N N ° 5+5 c Atm. Negative Turgorregulation C 0 B N o g g m o o o o 5 Positive Tur orreguiation i o : l [~. . .O 10 ,'N ° . 10 ÷ 5 " I Abb. 1 A, B, C: Schema der Turgorregulationsvorg~nge; a, b, c: Darstellung ihrer Deutung durch DR1~vs(1896). Erl~uternngen zu A, B, C: PT = Zellturgor; ~e = osmotischesPotential des Aut~enmediums; ~i = osmotischesPotential des Innenmediums. Schraffierung: Anteit, urn den das osmotische Potential des Innenmediums nach Steigerung (Senkung) des Salzgehaltes im Aut~enmediumw~ihrend der Turgorregulation erhiSht (erniedrigt) wurde. Erl~iuterungenzu a, b, c: Punkte: Salze des Aut~enmediums;Kreise: Den Turgot bedingende, indiffusible biogene Substanz des Innenmediums; Schraffierung: Protoplasmamembran demnach vorwiegend durch Aufnahme yon Salzen aus dem Augenmedium bewerkstelligt werden. Bei der negativen Turgorregulation miissen diese dann wieder abgegeben werden. I3ber die M/SgIichkeiteneiner Turgorregulation durch Salzaufnahme bzw. -abgabe hatte schon DRays (1896) Vorstellungen entwickelt, die diesen Vorgang in recht einfacher Weise zu beschreiben vermochten. Er nahm an (Abb. 1 a, b, c), die Salze des Augenmediums (in Abb. 1 durch schwarze Punkte symbolisiert), flit die das Protoplasma vollkommen durchl~issig sein sollte, seien innerhalb wie augerhalb der Zelle stets in gleicher Konzentration und in gleichem Verh~iltnis zueinander vorhanden. Auger diesen Salzen sei im Zellsafi aber noch eine ganz bestimmte Menge einer relativ grogmolekularen biogenen Substanz - etwa Zucker - (in Abb. 1 durch offene Kreise dargestellt) gel6st, fiir die der Protoplast impermeabel sein sollte. Diese Substanzmenge sollte fiir den Unterschied zwischen den osmotischen Potentialen von Innenund Augenmedium und damit auch ffir die Konstanz des Turgors verantwortlich sein. Diese Gedankengiinge waren recht einleuchtend. Die Modellvorstellung vom Ablauf der Turgorregulationsvorg~inge, die ihnen zugrunde lag, erwies sich jedoch sp~iter als zu einfach. Chemische Zellsattanalysen anderer Autoren (Literatur bei STEINZR & ESCI-IV.ICH1958, p. 340) an einigen grogzelligen Meeresalgen sowie eigene mikrokryoskopische Untersuchungen an Chaetomorphalinum (KEssEL~I~1959) zeigten n~imlich, dab nicht alle Salze des Augenmediums gemiig ihrem Konzentrationsverh~iltnis im Seewasser an der Regulation des Turgors beteiligt sein konnten. Auf Grund dieser Beobachtungsergebnisse mugte vielmehr dem Kalium und dem Kalzium eine besondere Rolle fiir diesen Vorgang zugebilligt werden. Fehlte n~imlich eines dieser beiden Ionen in dem fiir diese Untersuchungen benutzten kiinstlichen Seewasser, so unterblieb die Regulation des Turgors bzw. es kam zu schweren StSrungen, die sdalieglich zum Zusammenbruch des osmotischen Systems fiihrten. Qualitativ war damit die Unentbehrlichkeit des Kaliums und des Kalziums fiir den Vorgang der Turgorregulation nachgewiesen worden. 13ber ihre quantitative Beteiligung sollen die nun mitzuteitenden Befunde Auskuni°c geben. METHODIK Aus methodischen Griinden wurde zun~ichst die negative Turgorregulation, d. h. also die Erniedrigung des osmotischen Potentials des Zellsafies nach 13bertragung des Versuchsmaterials in ein Medium geringeren Salzgehaltes, untersucht. Dazu wurde im allgemeinen folgendermagen verfahren: Materialproben von je 5 g Frischgewicht aus Seewasser yon 300/00 Salzgehalt wurden in runde Schliffdeckelglasdosen ( ~ 8 cm, HShe 5 cm) mit je 100 ml Seewasser yon 30/00 (bei den ersten Versuchen auch mit destilliertem Wasser) iibertragen. Vor Versudasbeginn waren sie zur Entfernung des in den Zellw~inden imbibierten Seewassers 2 Minuten lang in dem Versuchsmedium abgespiilt worden. Die Glasdosen wurden auf einer vertikal montierten Drehscheibe befestigt, die durch einen Elektromotor in langsame Rotation (etwa 5 U. p. M.) versetzt wurde. Durch diese Versuchsanordnung wurde erreicht, dag das Material w~ihrend der Versuchsdauer yon der relativ geringen Fliissigkeitsmenge st~indig gut umlonenzunahme im Aul)enmedium w~4hrend der negativen Turgorregutation von Chaetomorpha linum nach 0bertragung aus 3 0 % , SW in Aqua dest, . " ' / ~ ' ~ ' ° ~ " ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . -o 01" / ° / -. spiilt wurde. Die Wassermenge muf~te miJglichst geringgehahen werden, um nachher die als Folge der Turgorregulationsvorg~inge zu erwartenden ~nderungen der ionalen Zusammensetzung des Auf~enmediums analytisch gut erfassen zu k6nnen. Nach Ablauf festgelegter Versuchszeiten wurden die Glasdosen v o n d e r Drehscheibe abgenommen, Vail l [Zetlsaft] Atm. 0,2 t 0,1 -4 .4 "2 -1 m Vat o,18o,~4o, l o 0 , 0 6 - r t/ • [i I/ l I/ I p , .°o,o2~ I" [ II I / i I I / I /" 2 . T /. j l" I"" _---a . . . . . . . . . ~ . . . . . . . . . . . Abb. 2: Ionenzunahme im Auflenmedium w~ihrend der negativen Turgorregulation nach Obertragung des Versuchsmaterials aus 30 %0 SW in destilliertes Wasser. Die doppelt eingetragenen Werte fiir K" wurden auf verschiedene Weise gewonnen: Zun~ichst wurde das Kalium mit ,,Kalignost~ (Natriumtetraphenyloborat MrRc~) als Kaliumtetraphenyloborat gef~illtund nach Trocknung gravimetrisch bestlmmt (g). Gem~ig diesen Ergebnissen wurden die EichtSsungen fiir die Flammenphotometrie angesetzt, mit deren Hilfe der Kaliumgehalt der Versuchswasserproben nochmals ermittelt wurde (f) die Materialproben zur Entfernung des in den Zellw~inden imbibierten Versuchsmediums 2 Minuten lang in destilliertem Wasser abgespiih und dann im Trockenschrank bei 50° C bis zur Gewichtskonstanz getrocknet. Die getrockneten Proben wurden schliei~lich mit je 200 ml kochendem Wasser extrahiert, und danach in den Extrakten wie auch in dem Versuchswasser aus den Glasdosen die Bestimmung der wichtigsten anorganischen Ionen des Seewassers vorgenommen. Alle hier beschriebenen H. KessrreR Versuche wurden bei Zimmertemperatur und konstanter schwacher Beleuchtung yon etwa 100 Lux (Leuchtstofflampe) durchgefiihrt. In den folgenden Diagrammen sind nur die Ergebnisse der CI'-, K'-, Na'-, Ca"- + Mg"- und Ca"-Analysen wiedergegeben. CI' wurde nach Molly, mit n/20 Silbemitrat und Kaliumchromat als Indikator titriert. K" und Na" wurden flammenphotometrisch gemessen (BrcxMAN Spektralphotometer, Modell DU mit Flammenzusatz) und Ca" und Mg'" komplexometrisch mit ADTE (Kthylendiamintetraessigs~iure) bestimmt (zun~ichst Ca" + Mg'" bei pt~ 10 mit MegcK-Indikatorpuffertabletten, dann Ca" allein bei pl~ 13 mit Calconcarbons~iure [MeRcK] ats Indikator). Bei der Darstellung und Besprechung der Ergebnisse wurden folgende Abkfirzungen verwandt: reVal -~ Milli~iquivalent; Val/1 [Zellsa~] -= Konzentration der bestimmten Ionen im Zellsa~ in ~quivalent pro Liter; Atm = Osmotischer Wert der bestimmten Ionen in Atmosph~iren (nach Umrechnung auf den Zellsa~raum); g FG = Gramm Frischgewicht; SW = Normales Seewasser; KSW ~- Kiinstliches Seewasser. Die auf der rechten Seite der Abbildungen 2, 4, 5, 6, 7 und 9 eingezeichneten Maf~stiibe gestatten die direkte Ablesung der Megwerte in Einheiten der Zellsaf~konzentration bzw. in Atmosph~iren. Zur Ermittlung der Zellsa~konzentration mugten die Analysendaten auf das Zellsa~votumen umgerechnet werden. Letzteres wurde nach t0 Minuten langem Zentrifugieren der Algen bei 5000 U. p. M. dutch Ausmessen des plasmafreien Zellumens unter dem Mikroskop bestimmt. Das MitteI yon 50 Messungen diente dabei als Umrechnungsfaktor. Das Zentrifugieren wurde yon den Algen gut vertragen. Nach etwa 48 Stunden hatte rich das Protoplasma samt Einschliissen wieder nahezu gleichm~ii~ig~iber die Zellen verteilt, die daraufhin ihr Wachstum ohne ersichtliche StSrungen fortsetzten. Auch die Polaritiit der Zellen blieb unver~ndert. VERSUCHSERGEBNISSE UND DISKUSSION Abbildung 2 gibt die Ergebnisse eines Versuches wieder, bei dem das Material aus 300/00 Seewasser in destilliertes Wasser iibertragen worden war. Man ersieht daraus, daf~yon den Algen w~ihrend der negativen Turgorregulation in der Hauptsache K" und CI' zur Erniedrigung des osmotlschen Potentials ihres Zellsat~es an das Auf~enmedium abgegeben wurden. Das Natrium als wichtigstes Kation des Seewassers rangiert dabei erst an zweiter Stelle. In Wirklichkeit diir~e die Beteiligung des Natriums an diesem Regulationsvorgang sogar noch wesentlich geringer sein, als eine oberfl~ichliche Betrachtung des Diagramms vermuten l~ii~t. Ein Vergleich der verschiedenen Kurven zeigt n~imlida,dai~ die Natriumkonzentration im Gegensatz zu den anderen Ionen sehr schnell ihr Endniveau erreicht. Dieser Kurvenverlauf l~ii~t darauf schliei~en, dat~ es zum grSf~ten Tell noch aus den Zellw~inden bzw. aus dem extraplasmatischen Raum stammt. Die Ursache dafiir diir~e in dem Umstand zu suchen sein, daf~ das Material in diesem Fall aus Mangel an Erfahrung vor Versuchsbeginn nur kurze Zeit (etwa 1/2 Minute lang) in destilliertem Wasser ausgespiilt wurde. Diese kurze Waschzeit geniigte offenbar nicht, um alles Imbibitions-Na aus den plasmafreien Zellr~iumen zu entfernen. Auch Abbildung 3, welche die Abnahme des Natriums in den getrockneten Materiaiproben wiedergibt, spricht fib diese Annahme. Demnach diiri~e Natrium fiir die Regulation des Turgors osmotisch kaum yon Bedeutung sein. In Abbildung 4 sind die Ergebnisse eines weiteren Versuches zur ErmittIung der Ionenbewegungen w~ihrend der negativen Turgorregulation dargestelIt. Hierbei wurde das Materiai aus 30 °/oo in 3 °/oo iibertragen. Vor Versuchsbeginn wurde es mit R[icksicht auf die bei der ersten Versuchsserie gesammelten Erfahrungen 2 Minuten lang im mVa[ Na g FO 0,06"t 0,05 0,04 '4 "4 0,034 4 t 0'o2t 4 "! 0~01t -I 4 J J Zeitliche ~ n d e r u n g des Na + - Oehaltes yon Chaetomorpha linum nach Obertragung aus 30%oSW in Aqua dest. 5 10 15 20 3 °/0o-Medium ausgewaschen. Zwar konnte die genaue Knderung der Natriumkonzentration im A u B e n m e d i u m in diesem Falle nicht verfolgt werden, da sie im Verh~ilthis zu dessen Ausgangskonzentration zu geringfiigig war (maximal etwa 2 reVal gegenfiber 41 reVal). Die Werte filr die Na-Abnahme im M a t e r i a 1 lassen abet erkennen, dab durch die verl[ingerte Auswaschzeit die abgegebene Menge gegeniiber dem Aquadestillata-Versuch um etwa 60 °/0 reduziert werden konnte. Auch die weitaus geringere Differenz zwischen den K'- und Cl'-Werten zeigt, daf~ zusammen mit dem Na" eine [iquivalente Menge an CI' als Hauptanion des 7[mbibitionswassers mitentfernt wurde. Es kann zwar als sic.hergelten, dai] auch durch die zweiminiitige Vorspi]lung des Materials noch nicht alles Imbibitions- Na und -C1 aus den extraplasmatischen Zellbestandteilen entfernt wurde; auf eine weitere Verliingerung der Auswaschzeiten wurde jedoch vetm Va| g FG ~l D,4 • %3 • 0,1 l o///~,J/ //l-~V/. // /,/ // // zichtet, um dabei keine zu hohen Verluste der fiir die Turgorregulation wichtigen Ionen zu riskieren. In Abbildung 4 sind aul3er den Analysenergebnissen der Versuchswasserproben auch noch die in den Trockensubstanzextrakten ermittehen Ionenkonzentrationen eingetragen worden. Dutch diese Darstellungsweise l~iBt rich leicht nachpriifen, ob bei der Ionenverschiebungen w~hrend der negativen TurgorreguLation von Chaetomorpha linum nach 0bertragung aus 30 o/~ SW in 3 %oSW 0,5 'l,~._o........0................. ~ - - "'l,........... Abb. 4: Ionenverschiebungenw{ihrend der negativen TurgorreguIation nach Obertragung des Versuchsmateriats aus 30 %0SW in 3 %oSW Heii~wasserextraktion auch wirklich der gesamte noch in den Zellen verbliebene Rest der wasserl/~slichen, das heif~t also osmotisch aktiven Ionen, eluiert wurde. In diesem Falle mui~ n~imlich die Summe der abgegebenen und der noch im Material verbliebenen Ionen fiir alle Versuchszeiten ann~ihernd gleich sein. Abbildung 4 zeigt, dab diese Bedingung zumindest fiir die Hauptionen K" und CI' im Rahmen der Fehlergrenzen erfiilh ist. Zur besseren Vergleichbarkeit sind in Abbildung 5 no& einmaI die Analysenergebnisse dieser beiden osmotisch wichtigsten Ionen, berechnet als Zunahme im Augenmedium beziehungsweise als Abgabe durch das Material, dargestellt. Aus den letzten beiden Diagrammen ist zu ersehen, dag das osmotische Potential des Zellsa~es in diesem Falle innerhalb yon 24 Stunden um etwa 14 Atm gesenkt wurde. Demgegenllber betr~igt die Differenz zwischen den osmotischen Potentialen yon Val/t [Ze Usaft'] Atm, O,3 0,2 0,1 -7 m Vat g FG 0,25 -~ O,2O4 1 1 t 0,15 H 1 1 0,104 ti' 0,05 ] 1 // o¢/~ / // /// v s/ / 16 /" / I Jt ! / t/ z' / t ,'i I ~ II, / Iitt lonenverschiebungen zwischen Zelle und Au6enmedium wahrend der negativen T~Jrgorregulation yon Chaetornorpha linum nach Obertragung aus 30 %oSW in 3 %oSW •• CKI*.- -Abgabe dutch alas Material = ov KCI÷- -Zunahme im A.N. 1 "1' 3 i 7 I 14 I 24 h Abb. 5: Ionenverschiebungen zwischen Zellen und Aut~enmedium w~ihrend der negativen Turgorregulation nach Obertragung des Versu&smaterials aus 30 % SW in 3 %0 SW 30 %o und 3 °/oo rund 17,5 Atm. Die Regulationsleistung betrug also etwa 80 0/0 des experimentell erzeugten Potentialsprunges irn Aut~enmedium. Im Hinblick auf den Verlau£ der Kurven, der anzeigt, dat~ die Regulation des Turgors bei Versuchsende noch nicht abgeschlossen war und unter Beriicksichtigung der mit mancherM Unsicherheitsfaktoren behai~eten Umrechnungsmethoden kann dieses Ergebnis als zufriedenstellend betrachtet werden. Ober die Ionenverschiebungen zwischen Zelle und AuBenmedium w~ihrend der p o s i t i v e n Turgorregulation geben die Abbildungen 6 und 7 AuskunE. Das fiir diese Untersuchungen verwandte Material wurde zun~ichst 3 Tage lang in mehrfach gewe&seltem Seewasser yon 3 °/oo bzw. in Regenwasser aufbewahrt. Nach er£olgter Anpassung wurde es in Portionen von je 5 g Frischgewicht in Glasdosen mit 100 ml Seewasser yon 30°/oo mit doppeltem Kaliumgehatt i~bertragen. Die ErhShung des Kaliumgehaltes war erforderlich, urn eine zu starke Abnahme dieses fiir die Turgorregulation wichtigen Kations als Folge der zu erwartenden starken K'-Aufnahme durch das Versuchsmaterial zu vermeiden. In 100 ml Seewasser yon 30°/00 Salzgehah sind n~mlich nur rund 0,9 mVal K' enthalten, die zusammen mit einer ~iquivalenten Menge CI' als Anion gerade ausreichen, mn (nach Umrechnung auf das Zellsaf~volum yon 5 g Frischmaterial) einen Potentiatsprung im Auflenmedium von 10 Atm zu kompensieren. Im iibrigen wurde bei diesen Versudnen methodis& in der gleichen Weise verfahren, wie bei der Untersuchung der negativen Turgorregulation. Die Bestimmung der Abnahme des Chlorids im Augenmedium, die in 48 Stunden maximal nur etwa 1,5 0/0 des Ausgangswertes betrug, ftihrte zu stark streuenden Ergebnissen. Die Ursa&e dafiir diir~e u. a. vor allem in dem Umstand zu su&en sein, dag bei der positiven Turgorregulation, bei der es zun~i&st zu einer voriibergehenden teitweisen oder vollst~/ndigen Au£hebung des Zellturgors kommt, weitaus st~irkere Wasserbewegungen und damit Zellvolum~inderungen stattfinden als bei dem entgegengesetzten Regulationsvorgang. Diese unkontrollierbaren Vorg~inge konnten nadirli& bei der Berechnung nicht berii&sichtigt werden. Man kann si& aber lei&t ausrechnen, dag eine Volum~inderung des Materials yon nur 5 °/0 bereits zu einem Fehler yon 20 bis 30 % bei der Chloridbestimmung fiihren muff. Erst durch Mittelung einer gr6t~eren Anzahl yon Megwerten verschiedener Materialproben (f~ir den hier beschriebenen Versu& jeweils 8) konnten einigermagen annehrnbare Resultate erzMt werden, die den Ergebnissen der Kaliumanalysen etwa entspra&en. Ahnlich wie bei der negativen Turgorregulation war au& in diesem Falle das Natrium an der Anderung des osmotis&en Potentials des Zellsaflcesnur in verh~ilmism~l~ig bescheidenem Umfange beteiligt (hier wie dort mit nut etwa 10 °/0 des Chloridwertes), vorausgesetzt, daf~ es iiberhaupt aus dem Zellsatt stammte. Die i°inderung der Natriumkonzentration im Aut~enmedium konnte selbstverst~indlich wegen ihrer Geringfiigigkeit (etwa 0,1 °/0) nicht na&gewiesen werden. Zu Abbildung 6 ist no& zu bemerken, dab die K'- und Cl'-Werte der 7h-Proben s~imtlich zu hoch ausfielen, so dai~ die Kurven an diesem Punkt einen deutli&en Kni& aufweisen. Eine sti&haltige Erkl~/rung fiir diesen merkwiirdigen Umstand konnte bisher ni&t gefunden werden. Es kann lediglich festgestellt werden, dag si& s~imtliche 8 Proben gleichzeitig (yon etwa 12.30 Uhr his 19.30 Uhr) auf der Drehs&eibe befunden hatten. Die dur& eine Klimaanlage geregelte Raumtemperatur betrug 200 + 1° C. Die Fenster des Laboratoriums waren dutch eine Jalousie gegen direktes Tagesli&t abgeschirmt, so datg als Li&tquelie praktis& nur eine in 1 m Abstand yon der Versuchsapparatur aufgesteltte Leu&tstofflampe yon 40 W in Betra&t kam. Der verhiilmism~itgig hohe Wert der 7h-Proben fiir K" und CI' kann daher ni&t auf einen Temperatur- oder Li&teffekt zurii&gefiihrt werden. Inwieweit hier dur& die besondere Gunst der Umsdinde der Einflutg einer endogenen (etwa Tag-Nacht) Rhythmik sichtbar geworden sein mag, miissen weitere Untersuchungen zeigen. Die 14h-Versu&swasserproben waren vor Beginn der Chloridtitration versehentli& etwa 3 Stunden lang unverschlossen stehengeblieben und dabei voriibergehend starker Sonneneinstrahlung ausgesetzt gewesen. Dabei mut~ es zu einer geringfiigigen Ionenversch=ebungen zwischen Zetie und Aul3enmedium wiihrend der positiven Turgorregulation yon Chaetomorphalinum nach 0bertragung aus 3%oSW (4Tage) in 30%oSW mit doppettem KCi-Gehalt / t ~\,, tI/ ~ 'b/ / / - vvK* o Gl Abnahme im Medium Speicherung im MateriaL vK" • CA" • Na+ Vai/i ~eUsaft-] Atm .,a~ CI3 2 0,15 O,10 O,O5 -1 Eindunstung der Proben gekommen sein. Die Abweichung des 14h-Chloridwertes yon dem erwarteten Kurvenverlauf entspricht einem mittleren Verdunstungsverlust der Proben yon 0,05 (!) mL Der relativ groi~e Unterschied zwischen den Kurven £ir die Abnahme der K'- und Cl'-Ionen im Augenmedium einerseits und £iir deren Speicherung im Material zum anderen, die im Idealfalle h~itten identisch sein m~issen (vgt. Abb. 5), ist wohl darauf zur~ickzufLihren, dai~ der yon den Analysenergebnissen der Extraktproben abzuziehende Nullwert ungliicklicherweise zu hoch ausfieL Bei der Wahl des Frischgewichtes als Bezugsgr6t~e ist jedoch immer mit derartigen unvermeidbaren Fehlern zu red~nen. In Abbildung 7 sind zum Vergleich die Kaliumwerte eines weiteren Versuches zur positiven Turgorregulation yon Chaetomorpha tinurnwiedergegeben, die eine wesentlich bessere Obereinstimmung der Analysenergebnisse zeigen. In diesem Falle streuten jedoch die an nur je 4 Materialproben gewonnenen Chloridwerte so stark, dal3 auf ihre Darstellung verzichtet wurde. / / , ! // / // / / / ,./ /// / / //// ./752"- ...... Kaiiumverschiebungen zwischen Ze/le und Auf~enmedium w~,hrend der posittven TurgorreguLation von Chaetomorpha linum nach 0bertragung aus Regenwasser (3 Tage) ~n 3 0 % o S W mlt doppettem KC[-GehaLt K * - Abnahme ~m Hedium • K+- Zunahme im Materiat Zusammenfassend l~if~t sid~ auf Grund der bisher vorliegenden Mei~ergebnisse feststellen, dai~ auch bei der positiven Turgorregulation K" und CI' f~ir die Knderung des osmotischen Potentials des Zellsaites praktisch allein entscheidend sind. Dieser Vorgang beansprucht jedoch wesentlich mehr Zeit als die Kompensation eines gleichVal/I [Zellsaf~ Atm. I ~4' K" 0,16 0,14 0,12 0,10 O,O8 0,O6 0,04 - 3,5 I - 3,0 - 2j5 • 2,0 I - 1,5 - %0 I I 0,02 - 0,5 0,121 J f I I / I 1 3 7 12 24 h Abb. 7: Kaliumverschiebungen zwischen Zellen und Au~enmedium w~ihrend der positiven Turgorregulation nach l~bertragung des Versuchsmaterials aus Regenwasser in 30 %0 SW mit doppehem KC1-Gehah grot3en Potentialsprunges w~hrend der negativen Turgorregulation. Bedenkt man jedoch, dai~ vom lebenden Zytoplasma im ersteren Fatle unvergleichtich gr6i~ere Leistungen vollbracht werden miissen, so wird dieser Sachverhalt verst~indlich; denn sowohl die zu speichernden Kaliumionen als auch die st~indig yon aut~en eindringenden und immer wieder aus der Zelle zu enffernenden Natriumionen miissen ja gegen ein steiles Konzentrationsgef~ille bewegt werden. Ob und in welchem Mai~e die Dauer der positiven Turgorregulationsvorg~inge von der GrSf~e des experimentell erzeugten Potentialsprunges abh~ingig ist, miissen weitere Untersuchungen zeigen. Es wurde bereits eingangs erw~ihnt, daf~ auch das Katzium fiir den Zellturgor yon Chaetomorpha linum unentbehrtich sei. In den bisherigen Darstellungen trat es jedoch kaum in Erscheinung, da hier in erster Linie die osmotisch bedeutsamen Ionen beriicksichtigt wurden. Seine physiologische Bedeutung konnte jedoch schon durch AtmungsAtmung % 350 300250200 Abb. 8: ~nderung der Atmungsintensit~t nach Obertragung des Versuchsmaterials aus 5%0SW in 35 %oSW bzw. 35 %0KSW ohne Ca" (ver~indertnach KESSELER1962) messungen (Abb. 8) sowie dutch mikrokryoskopische Untersuchungen (KEssELt~R1959, p. 59) nachgewiesen werden. Bei tetzteren hatte sich gezeigt, dab in Ca-freiem Seewasser auch ohne osmotische Belastungen bereits ein Turgorschwund zu beobachten ist. Es war daher yon Interesse zu untersuchen, wie es zu dieser durch Kalziummangel hervorgerufenen Turgorabnahme kommt und wetche Ionenverschiebungen dabei stattfinden. Dazu wurden je 5 g Frischmaterial aus 30°/00 SW in Glasdosen mit je 100 ml Ca-freiem KSW vom gleichen Salzgehalt iibertragen und in der iiblichen Weise untersucht. Die Ergebnisse sind in Abbildung 9 dargestellt. Daraus ist zu ersehen, daft es bereits innerhalb weniger Stunden zu einer starken Permeabitit~itserhShung fiir K" und CI' kommt..Khnliches konnten EPPLEY& CYRus (1960) an Porphyra perforata ,, / ~lr\ /fl•y 0,4- . 0,3 o,2 0,1 H. KESSELElt beobachten. Wiihrend diese Autoren jedoch gieichzeitig eine Zunahme des Natriumgehaltes bei ihrem Objekt fanden, btieb in unserem Versuch der Natriumspiegei des Versuchsmaterials trotz des steilen, yon aul~en nach innen gerichteten Konzentrationsgef~illes ftir dieses Ion nahezu konstant, wenn man yon dem voriibergehenden Anstieg zu Beginn des Versuches absieht. Allerdings sind die Zellen von Porphyra periorata im Gegensatz zu denjenigen yon Chaetomorpha Iinurn sehr plasmareich und besltzen nut sehr Heine Vakuolen. Demgegentiber beansprucht der ZellsaE yon Chaetomorpha Abb. 9: Ionenverschiebungen zwischen Zellen und Auf~enmedium nach Ubertragung des Versuchsmaterials aus 30% SW in 30%0 KSW ohne Ca" linum etwa 800/0 des Zellumens. Die unterschiedtichen Befunde scheinen dafiir zu sprechen, dai~ das Natrium leichter in das Protoplasma einzudringen vermag als in die Vakuoten. V611ig unerkiiirlich war zun~ichst auch die Beobachtung, daf~ die bei Versuchsende in den Zellen vorgefundene Restkonzentration an Kationen und Anionen nach Umrechnung auf den normalen Zellraum nur einen osmotischen Weft yon 8 Atm ergab, Ionenverschiebungen zwischen Zetie und Auf3enmedium nach Obertragung yon Chaetomorpha linum aus 30 %o SW in 30 %o KSW ohne Ca*" \ \ X,\ Q \\ \ \ v\ '-, ",,\ \\ \\ v K + \ X , \ \. \ \ \ i\X \ \ \ \ "k k \X X \ X,\\X\ ,,. \ \\ "xo\\ / / \ v, .%''¢% vK + IC[iNa + - Konz. im Material • C~ga~++ + w~ihrend das osmotische Potential des Auf~enmediums 19,5 Atm betrug. Selbst bei vSltigem Verlust der Permeabilit~itseigenschafien w~re allenfalls osmotisches Gleichgewicht zwischen Innen- und Aui~enmedium zu erwarten gewesen, niemals aber ein Defizit innerhalb der Zellen. Nun war bereits friiher beobachtet worden (K~ssEL~r. 1959), daf~ Ca-Mangel im Aui~enmedium eine aui%rordentlich starke Verquetlung der Zellw~inde zur Fotge Abb. 10: Starke Verquellung der Zellw~indeyon Chaetomorphalinum in 300/00KSW ohne Ca" (a, c). Mitte (b): Normale ZeIlwandst~rkenach Plasmolyse in Harnstoff-Seewasser(nach H6FLE~ 1932) hatte. Diese Beobachtung fiihrte schlieglich zur L~Ssungdes R~itsels. Eine mikroskopische Pr~ifung des Materials ergab n~imlich,dab die Quellung der Zellw~inde vor allem ins Inhere der Zellen gerichtet war (Abb. t0a). Bei den innersten Membranschichten hatte sie zu einer regelrechten ,,Aufbl~itterung" in einzelne Lamellen (Abb. 10c) gef[ihrt, wodurch das urspriingliche Zetlumen auf etwa 1/8seinesAusgangswertes eingeengt worden war. Abbildung 10b ermSglicht einen Vergleich mit der normalen Zellwandst~irke nach Plasmolyse yon Chaetomorpha-Zellen in Harnstoff-SeewasserlSsungen (H6FLur, 1932). Auf Grund dieser starken, quellungsbedingten Volum~inderungen entfielen nat~irlich die Voraussetzungen f~ir eine Umrechnung der Analysenergebnisse 4i° I o ix \\ H. K~SSELER auf normales ZeilsaEvolum. Setzt man stattdessen den neu ermitteiten Wert ein, so kommt man unter Beriicksichtigung der Schwierigkeiten, die einer exakten Zellvolumbestimmung unter diesen Umst~inden im Wege stehen, auf einen osmotischen Weft, der etwa dem der Auf~enlSsung entspricht. Allerdings diirEe auch durch das Auswaschen der Proben nach Ablauf der Versuchszeiten infolge der erhShten Plasmamembranpermeabitit~tt ein gewisser Verlust an K' und CI' eingetreten sein. In Abbildung 11 sind schliet~lich noch die Knderungen der Kalziumwerte des Materials w~ihrend des Aufenthaltes im Ca-freien Medium dargestellt. Man ersieht ZeitL ;~nderung des Ca+. -Oehaltes von Chaetomorpha linum nach Obertragung aus 30°/~ SW in 30%oKSW ohne Ca .+ daraus, dat~ die Abnahme des Katziumgehaltes beinahe sprunghaE erfolgt. Dieser Kurvenverlauf legt den Gedanken an einen Ionenaustauschvorgang nahe. Normaterweise dtiri°te das Kalzium wegen seiner F~thigkeit zur Bildung wenig dissoziierbarer Verbindungen oder gar undissoziierbarer Komplexe mit den Carboxylgruppen yon Eiweit~ (N~TT~t~ 1951) und anderen carboxylreichen kolloidalen Substanzen - dazu gehSren vor allem Algins~iure und verwandte Stoffe, die am Aufbau der Zellwandsubstanz von Meeresalgen in starkem Mai~e beteiligt sind - ziemlich fest an das Zellwandmaterial gebunden sein. Wegen seiner Zweiwertigkeit kann es dabei sogar no& als Briickenbildner zwischen benachbarten Kolloidmolektilen fungieren und auf diese Weise erheblich zur Festigung solcher Substanzen beitragen. Erst in Medien, die reich an einwertigen Kationen sind, aber praktisch kein Kalzium enthalten, kann das Ca" durch jene verdr~ingt werden. In Ca-freiem Seewasser kommt als Ersatzion in erster Linie das Natrium in Frage. Da nun abet das Natriumion, das selbst yon einem starken Hydratwassermantel umgeben ist, keine undissoziierbaren Verbindungen mit dem Zellwandmaterial zu bilden vermag, mut~ im Ca-freien Seewasser nach der Hydratationstheorie yon PAULI & VALK6 (1933) die Ladung und damit aueh die Quellung der Zellwandkolloide stark zunehmen. Ahnliche Vorg~inge m~Jgen auch die Ursache fiir die Erh/Shung der Protoplasmapermeabilit~it fiir K' und CI' sein und dariiber hinaus eine Deutungsm/Sglichkeit fiir das Zustandekommen der auff~illigen Kurvenmaxima in Abbildung 9 bieten. Darliber soll jedoch erst diskutiert werden, wenn sich durch weitere Versuche die Reproduzierbarkeit dieser Gipfel hat nachweisen lassen. ZUSAMMENFASSUNG Meinem technischen Assistenten, Herrn J. K. HOLTMANN,danke ich ftir seine stets gewissenhafie und zuverliissige Mitarbeit bei der Durchfiihrung der &emis&en Analysen sowie fiir die Anfertigung der Zei&nungen und Photographien. Z I T I E R T E LITERATUR BIEBL,R., 1937. (Skologische und zellphysiologische Studien an Rotalgen der englischen Siidktiste. Beih. Bot. CentralbI. Abt. A 57, 381-424. BUCHHErM,A., 1915. Der Einflut~ des Augenmediums auf den Turgordruck einiger Algen. Mitt. Natu@ Ges. Bern, 70-113. COL~ANDER,R., 1939. Permeabilit~itsstudien an Charazeen. IIL Die Aufnahme und Abgabe yon Kationen. Protoplasma 33, 215-257. DRays, P., 1896. Die Regulation des osmotischen Dru&es in Meeresalgen bei Schwankungen des Salzgehaltes im Auflenmedium. Arch. Ver. Freunde Naturg. Mecklenb. 49, 91-135. EePLEY,R. W., 1958. Sodium exclusion and potassium retention by the red marine alga, Porphyra perforata. J. gen. Physiol. 41, 90t-911. - - & CYRtJs,C. C., 1960. Cation regulation and survival of the red alga Porphyra perforata, in diluted and concentrated sea water. Biol. Bull. Woods Hole 118, 55-65. Diskussion im Anschlufl an den Vortrag KESSEL~ SCHLI~VER:Was k6nnen Sie aussagen tiber die relativen Anteile gel&ter organischer Stoffe und anorganischer Ionen bei der intrazellut~ren osmotischen Regulation Ihrer Algen? Bei der isosmotischen intrazellul~ren Anpassung mariner euryhaliner Evertebraten spielen ja Aminosiiuren etc. eine bedeutende Rolte. KESS~LER:Es wurden bereits frfiher mikrokryoskopische Untersuchungen im Zusammenhang mit der Turgorregulation yon Chaetomorpha Iinum durchgefiihrt, die immer etwas h~Shere osmotische Werte des Zellsattes ergaben, so dal3 angenommen werden mul3, daf~ auch organische Substanzen am Vorgang der Turgorregulation geringfiigig beteiligt sin& Um welche Stoffe es sich dabei handelt, konnte jedoch im Hinblick auf die Schwierigkeiten des Nachweises organischer Spurenstoffe in satzreichen Medien noch nicht festgestellt werden. Vielleicht wird uns bier die in der Erprobung befindliche Methodik yon Herrn Dr. SCHA~F~ weiterbringen. 1. Die n e g a t i r e Turgorregulation yon Chaetomorpha linum nach Herabsetzung des Salzgehaltes im Auigenmedium beruht in der Hauptsache auf einer Erniedrigung des osmotischen Potentials des ZellsaRes durch Abgabe yon K" und CI' . 2. W~ ihrend der p o s i t i v e n Turgorregulation nach Erh6hung des Salzgehattes im Augenmedium konnte umgekehrt eine starke Speicherung yon K" und CI' beoba&tet werden . 3. Das Natrium als wichtigstes Kation des Seewassers ist fiir beide Prozesse osmotisch kaum yon Bedeutung. Die Anderung des Natriumgehaltes im Versuchsmaterial betrug in beiden F~illen nur etwa 10 % der ~_nderung seines Chloridwertes und nur etwa 5 % der Knderung seines osmotischen Gesamtpotentials . 4. Kalziummangel im Augenmedium ffihrte zu einer starken Abgabe von KC1 durch die Versn&spflanzen, welche dabei einen betr~ichtlichen Turgorverlust erlitten . 5. Die ebenfalls durch Kalziummangel bewirkte starke Verquellung der Zetlw~inde wird im Zusammenhang mit der sprunghaf~en Abnahme des Kalziumgehaltes der Versuchspflanzen auf einen Ionenaustauschvorgang zurii&gefiihrt, bei dem das Zellwand-Kalzium durch Natrium ersetzt werden diirfie . H6VLER , K. , 193i . Hypotonietod und osmotische Resistenz einiger Rotalgen . Ost. Bot. Z. 80 , 51 - 71 . - - 1932 . Plasmolyseformen bei Chaetornorpha und Cladophora . Protoplasrna 16 , 189 - 214 . KESSELER , H. , 1959 . Mikrokryoskopische Untersuchungen zur Turgorregulation yon Chaetomorpha Iinum . Kieler Meeres]orsch. 15 , 51 - 73 . - - t960 . Morphologische und zellphysiologische Untersuchungen an Chaetomorpha linum . HelgoI. Wiss. Meeresunters . 7 , 114 - 124 . - - 1962 . Beziehungen zwischen Atmung und Turgorregulation yon Chaetomorpha linum . Ibid . 8 , 243 - 256 . NEVT ~R, H., 1951 . Biologische Physikochemie . Akademische Verlagsges. Athenaion, Potsdam, 325 pp. PAULI , W. & VALX6 , E. , 1933 . Koiloidchemie der Eiweii~k6rper. Theodor Steinkopff, DresdenLeipzig. STZINEtq M. & ESCH~ICH , W. , t958. Die osmotische Bedeutung der Mineralstoffe . In: Handb. Pfl. Physiol. 4 , 334 - 354 .


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Hanswerner Kesseler. Die Bedeutung einiger anorganischer Komponenten des Seewassers für die Turgorregulation vonChaetomorpha linum (Cladophorales), Helgoland Marine Research, 1964, 73-90, DOI: 10.1007/BF01626099