Entwicklungsphysiologie der Tiere: Band 1 Ei und Furchung 9783111665696, 9783111280974

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SAMMLUNG GÖSCHEN BAND 1162

Entwicklungsphysiologie der Tiere Von Prof. Dr. Friedrich Seidel M a x - P l a n c k - I n s t i t u t f ü r Tierzucht Mariensee ( H a n n o v e r )

I Ei und Furchung M i t 29 A b b i l d u n g e n

W A L T E R D E G R U Y T E R & CO. vormals G. J. Gösdien'sche Verlagshandlung • J . Guttentag, Verlagsbuchhandlung • Georg Reimer • Karl J. Trübner • Veit & Comp.

Berlin 1953

Alle R e c h t e , einschl. der R e c h t e der H e r s t e l l u n g von P h o t o k o p i e n und M i k r o f i l m e n , von der V e r l a g s h a n d l u n g vorbehalten

Copyright 1953 by W a l t e r de G r u y t e r & C o . Berlin W 35, Genthiner Str. 13

Archiv-Nr. 11 1162 Druck von H a r r y Bartels, Buchdruckerei Berlin-Charlottenburg Printed in Germany

Inhalt Erster Band Seite I. Einleitung 4 II. E i und Furchung. Beobachtungen, Experimente, theoretische und methodische Erörterungen 8 a) L o k a l i s i e r u n g v o n E n t w i c k l u n g s f a k t o r e n im Eikern 8 Karyoplasma-Architektur 9. — Chromosomen 9. — Lokalisierung der Gene in den Chromosomen 10. - Eigenschaften der mendelnden Erbanlagen 11.— Gesamtheit nuklearer Entwicklungsfaktoren 14. — Substanzzusammensetzung der Chromosomen 16.

b) S t r u k t u r u n d B i l d u n g s f a k t o r e n des E i c y t o plasmas

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c) R e a k t i o n e n z w i s c h e n K e r n u n d C y t o p l a s m a im E i u n d w ä h r e n d der F u r c h u n g

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d) R e a k t i o n e n flüsse

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Richtungsorganisation 17. •—Allgemeine Substanz- und Struktur eigenschaften des Cytoplasmas 17. — Typische Architekturen von Eicytoplasmen 21. — Eitypus mit wenig differenzierter Cytoplasmaarchitektur 21. — Eitypus mit stark differenzierter Cytoplasmaarchitektur 28. — Rein plasmatischer Erbgang 36. — Allgemeine Feststellungen zur Architektur des Cytoplasmas und der plasmatischen Bildungsfaktoren 36. Beeinflussung der Entwicklungsweise des Eicytoplasmas durch Reaktionen mit dem Furchungskern 39. — Quantitative Beziehungen vom Kern zum Cytoplasma, Kern-Plasma-Relation 47. — Auswirkung disharmonischer Kern-Plasma-Kombination, Bastardmerogone 56. — Letale Wirkung von Abänderungen des Chromosomensatzes 61. — Ergebnisse harmonierender KernPlasma-Kombinationen 62. — Zusammenfassende Übersicht 65.

des E i s y s t e m s a u f ä u ß e r e

Ein-

Klima und stoffliches Milieu 67. — Einwirkungen organismischer Art, Ersatz durch Außenfaktoren(klinstliche Parthenogenese) 81.

e) D i e O r g a n i s a t i o n des E i e s

Arbeitsweise des Entwicklungsphysiologen 85. — Regulation 91. — Eitypen 99. — Richtungsorganisation, Animal-vegetative Polarität 101. •— Bilaterale Symmetrie 105. — Entstehung der Richtungsorganisation 107.

84

Erklärung von Fachausdrücken

111

Register

120 Zweiter Band

III. Bildung der Körpergrundgestalt IV. Morphologische und histologische Diflerenzierung der Organe Bücher und zusammenfassende Darstellungen mit ausführlichen Schriftennachweisen l'

I. Einleitung Zu der Entwicklungsgeschichte als einer beschreibenden Wissenschaft tritt die Entwicklungsphysiologie mit der Absicht, zu erklären. Die E n t w i c k l u n g s g e s c h i c h t e gibt ein Abbild davon, welche Formen ein Lebewesen zu verschiedenen aufeinanderfolgenden Zeiten annimmt. Die Formen werden als Ganze und in ihren einzelnen Elementen beschrieben. Sie werden auseinander abgeleitet. Durch den Vergleich von Entwicklungsabläufen verschiedener Tiergruppen treten allgemeine Regeln über den Gang der Entwicklung hervor. Demgegenüber betrachtet die E n t w i c k l u n g s p h y s i o l o g i e unmittelbar die Formwandlung als eine Leistung des Organismus. Sie will den Vorgang dieser Leistung kausal erklären, d. h. einsichtig machen, aus welchen Ursachen allgemeingültig und mit Notwendigkeit eine Formwandlung erfolgen muß. Eines der wesentlichen Mittel dazu ist die Kausalanalyse: Die an den Tierformen von Fall zu Fall sichtbaren Leistungen werden aus solchen Vorgängen ihrer Teile und Elemente abgeleitet, deren gesetzmäßiger Ablauf geprüft und anerkannt ist. In Übereinstimmung mit dem K a n t sehen Satz: „Alle Veränderungen geschehen nach dem Gesetze der Verknüpfung von Ursache und Wirkung" lassen sich Ursachen nur auf Grund der Veränderung eines Geschehens bestimmen. So ist das verändernd eingreifende E x p e r i m e n t die alleinige Quelle, um die Kausalanalyse durchzuführen. Das organismische System, an dem ein Vorgang abläuft, wird künstlich abgeändert und aus der Veränderung des Vorgangs auf die Ursache und ihre Wirkungsbedingungen geschlossen. Je eindeutiger die Systemveränderung nach Zeit, Ort und Ausmaß gesetzt ist, umso eindeutiger wird der Geschehensablauf verändert sein, um so eindeutiger das Experiment Auskunft über wirkende Faktoren geben. Eine Folge von zusammenhängenden Experimenten läßt immer mehr formbildendFaktoren eines organismischen Systems erkennen und offen-

Einleitung

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b a r t damit seine inneren Beziehungen. Da diese experimentelle Untersuchung der E n t w i c k l u n g s v o r g ä n g e nicht ohne genaue Kenntnis der Einzelteile des Entwicklungssystems geschehen kann, fordert sie notwendig auch die beschreibende Untersuchung, von der sie ausging, neu heraus und vermag so zu einer vervollkommneten und verfeinerten E r f a s s u n g aller äußeren F o r m v e r h ä l t n i s s e und inneren S t r u k t u r e n des Systems selbst hinzuführen, soweit diese zum Entwicklungsvorgang in Beziehung stehen. Das Tierreich gliedert sich in eine Anzahl von systematisch gekennzeichneten Einheiten, die sich nicht auf einen einzigen G r u n d t y p u s zurückführen lassen. Morphologische und phyisologische Untersuchungen des Formwechsels werden daher immer von einem bestimmten gerade geeigneten F o r m t y p u s ausgehen. Ihre Ergebnisse besitzen f ü r diesen Typus Gültigkeit, und erst nach genauer Kenntnis vieler solcher Formwechselfolgen und ihrer Verursachung ist es möglich, f ü r die ablaufenden Vorgänge auch einige ganz allgemeine Gesetzmäßigkeiten auszusprechen. Aus diesem Grunde können die folgenden Kapitel nicht nur eine a l l g e m e i n e D a r s t e l l u n g geben, sondern müssen zugleich v e r g l e i c h e n d e G e s i c h t s p u n k t e e n t h a l t e n . — F ü r die Beschreibung der Entwicklungsleistungen dient der natürliche Ablauf der Entwicklung als Leitfaden. Von den Keimzellen, welche einem fertigen Tier entstammen, f ü h r t er über die Furchung, die Bildung der Körpergrundgestalt zu ihrem W a c h s t u m und zur Differenzierung der Organe. Durch Erörterung der Wirkung von E r b faktoren als Entwicklungsfaktoren t r i t t die Verbundenheit des individuellen Formwechsels mit dem gesamten Kreislauf des Lebens hervor. Die Physiologie der Organbildung f ü h r t an ein Verständnis auch der Entwicklung von Organund Systemfunktionen heran. Untersuchungen über den Umfang und die Abänderungsmöglichkeiten der funktionellen Leistungen auf verschiedenen Entwicklungsstufen sind zu wichtigen Erkenntnisquellen f ü r die Stoffwechsel-, Bewegungs-, Nerven- und Sinnesphysiologie geworden. — Bei der Besprechung der Keimzellen und der Furchung im ersten B a n d überwiegen allgemeine Fragestellungen. Um dabei Tat-

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Einleitung

sachen, die den zeitlichen Verlauf der Entwicklungsprozesse kennzeichnen, genügend hervorzuheben, mußten hier auch Versuchsergebnisse aus späteren Stadien Platz finden. Mit der Erörterung über die Bildung der Körpergrundgestalten tritt im zweiten Band der Vergleich ganzer Entwicklungsabläufe mehr in den Vordergrund. Die Beispiele wurden von Tierformen gewählt, deren Entwicklung für eine größere Gruppe als typisch angesehen werden kann. Durch diese vergleichende Betrachtung werden die aus der Eiorganisation abgeleiteten Ergebnisse so vervollständigt, daß sie einen Einblick in gewisse allgemeine Gesetzmäßigkeiten der Formwandlung gestatten. In der vorliegenden räumlich begrenzten Darstellung ist das Experiment mit seinen methodischen Voraussetzungen und Feststellungen in den Vordergrund gestellt. Allgemeine Erörterungen werden jeweils erst aus experimentellen Ergebnissen abgeleitet und möglichst kurz gehalten. Fettdrucke im Register weisen auf sie hin. Diese Anordnung ist deshalb getroffen, weil biologische Wissenschaft nur in unmittelbarer Berührung mit dem Objekt lebendig bleiben kann. Experimente am lebenden Objekt stellen den wesentlichen Teil entwicklungsphysiologischer Forschung dar. Nach den lebendigen Kräften, mit denen ein Organismus auf den experimentellen Eingriff hin einen ihm ungewohnten Entwicklungsweg verfolgt, bestimmen wir die Wirkungsweise von Entwicklungsfaktoren und ergründen ihren gegenseitigen Zusammenhang. Alle Wirkungsbedingungen werden genau, ohne Vorurteil, und in unmittelbarem Zusammenhang mit den experimentellen Befunden beschrieben. Aber unsere Begriffe von den wirkenden Faktoren selbst — etwa „Gen" oder „Organisator" — müssen notwendig zunächst Bilder sein, bis diese Faktoren einmal ihrer Struktur und Substanz nach genau definiert werden können. Wir kennen sie anfangs meist nur nach ihren Wirkungen und den Bedingungen ihrer Wirkungen. Für den Leser, der sich nicht nur kurz orientieren, sondern der ein wirkliches Verständnis für die funktionellen Beziehungen in einem Organismus gewinnen will, für denjenigen, der vielleicht selber in die Werkstatt der Wissenschaft eintreten

Einleitung

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möchte, ist es ganz wesentlich, nicht mit Begriffen zu arbeiten, welche von der Anschauung losgelöst sind, sondern stets die verschlungenen experimentellen Wege vor Augen zu haben, auf denen die Bezeichnungen f ü r unsere gebräuchlichen Wirkungseinheiten zustande kamen. Nur dann wird er sie richtig anwenden. E r wird in seinen theoretischen Vorstellungen nicht mehr von ihnen fordern, als sie geben können, aber um so eher das Feld übersehen, auf dem neue fruchtbare Arbeit möglich sein kann.

II. Ei und Furchung Beobachtungen, Experimente, theoretische und methodische Erörterungen a) Lokalisierung von Entwicklungsfaktoren im Eikern Die Frage nach der Bedeutung eines Eizellbestandteiles für die Keimentwicklung läßt sich auf zweierlei Weise verfolgen. Man kann diesen Bestandteil verändern oder entfernen und seine Leistung aus den Folgeerscheinungen bestimmen, die während der Entwicklung des Embryo bis zum ausgewachsenen Tier auftreten. Eine andere Methode beginnt

9

7 ' U é

i

Het

Eu

Abb. 1. Schema der Kernmitose (obere Reibe, haploider Chromosomensatz) und der dabei stattfindenden chemischen Umsetzungen (untere Reihe). (Im Anschluß an D a r l i n g t o n [1937] und C a s p e r s s o n [1941]) a*) Interphase. b t ) Frühe Prophase. a 2 ) Substanzaufbau eines Riesenchromosoms mit Nucleolus im Ruhekern der Speicheldrüse von Drosophila (Taufliege). a 3 ) Eu- und Het erochro matin in der Interphase, zwischen Nucleolus und Kernrand. c,, 2 ) Späte Prophase. d,, 2 ) Metaphase, unten jeweils 1 Chromosom. e],2) Anaphase. f 1>a ) Telophase. g I>a ) Interphase der Tochterkerne DN Desoxyribonucleotide. E Eiweiß vom Globulin-Absorptionstyp. Eu Eucliromatin. Het Heterochromatin. Iii Eiweiß vom Histon-Absorptionstyp. N Nucleolus. N.B Nucleolenbildungsstelle. RN Ribonucleotide. Unterstreichung: Große Menge. Klammer: Unerhebliche Menge

Lokalisierung von Entwicklungsfaktoren im Eikern

9

mit Beobachtungen am ausgewachsenen Tier und schließt von dort aus zurück. So verglich man Gesetzmäßigkeiten im Erbverhalten bestimmter Merkmale mit solchen, welche an der realen Übergangsstelle von einer Generation zur anderen, bei der Entwicklung von Ei und Samenfaden, zu finden sind, und erhielt auf diese Weise für den Ablauf der Keimzellbildung eine Deutung, welche außerordentlich zur Kenntnis der Kernfaktoren beitrug. Beide Wege sind sowohl einzeln, wie in Verbindung miteinander beschritten worden. Daher gelangen hier Ergebnisse unmittelbarer experimenteller Eingriffe und auch Befunde aus Vererbungsversuchen zur Darstellung. Die Tatsachen der Vererbung werden jedoch ausschließlich in entwicklungsphysiologischer Sehweise wiedergegeben, um auch die Erbfaktoren als Entwicklungsfaktoren definieren zu können. Für Untersuchungen über den Eikern ist es ein großer Vorzug, daß sich der Kern von den übrigen Zellbestandteilen durch eine Membran klar abgrenzt, daß die KaryoplasmaArchitektur gut zu kennzeichnen und bis in feinste Elemente aufgliederbar ist. In der optisch homogenen Grundmasse dieses Karyoplasmas, der Karyolymphe (dem Kernsaft), liegen im Stadium des Ruhekerns die chromosomalen Zentralfäden, die Chromonemen, weit ausgezogen und in eine durch Verquellung aufgelockerte Hülle, ihre Matrix, eingehüllt. Während der Teilung kondensieren sie sich zu stark färbbaren Gebilden, den Chromosomen (Abb. 1 d^, und winden sich dabei zu engen Spiralen auf. Die Matrix verdichtet sich. Beim Übergang zum neuen Ruhekern entstehen oft an bestimmten Stellen des chromosomalen Zentralfadens als Bläschen Nucleolen, Aufbauorte für bestimmte Eiweißverbindungen (Abb. 1 d x —g v NB). Die Kerne sind die einzigen Eizellelemente, welche sich bei der Bildung eines neuen Individuums in gleicher Weise sowohl vom Vater wie von der Mutter herleiten. So liegt es von vornherein nahe, sie als Träger von E r b a n l a g e n anzusehen, d. h. von Anlagen, durch welche Merkmale der vorhergehenden Generation in der folgenden wieder in gleicher Weise ausgeprägt werden können. — Die Chromosomen eines befruch-

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Ei und Furchung

teten Eikerns, deren Anzahl für jede Art genau bestimmt ist, besitzen nach Umriß und Größe ungleiche Gestalt. Sie sind normalerweise in zwei Sätzen vorhanden (diploid), deren jeder sich aus einer von den elterlichen Keimzellen (haploid) herleitet. Jedem mütterlichen entspricht im allgemeinen ein homologes form- und größengleiches väterliches Chromosom. Wie im Bande über die Vererbung aus dem Vergleich von Kreuzungsversuchen und cytologischen Befunden näher abgeleitet wird, e n t h a l t e n die e i n z e l n e n Chromos o m e n eines haploiden Satzes q u a l i t a t i v v e r s c h i e d e n e , Mendelsche E r b a n l a g e n , Gene. D i e Chromos o m e n sind I n d i v i d u e n , w e l c h e in d e r m i t o t i s c h e n T e i l u n g das V e r m ö g e n z u r F o r t p f l a n z u n g d u r c h S e l b s t v e r d o p p e l u n g , zu i d e n t i s c h e r R e p r o d u k tion, besitzen. Ihre Chromonemen bewahren auch z w i s c h e n den M i t o s e n in der I n t e r p h a s e i h r e I n d i v i d u a l i t ä t . So erfüllen sie alle Voraussetzungen, die man an die Träger von unterschiedlichen Erbfaktoren stellen muß. Für die Richtigkeit dieser „Chromosomentheorie der Mendel sehen Vererbung" ( B o v e r i , S u t t o n ) ließ sich der unmittelbare experimentelle Beweis erbringen. Es gelang, eine Lokalisierung der Gene in den Chromosomen durchzuführen, nachdem in den Speicheldrüsen der Fliegen Ruhekernformen von Chromosomen bekannt geworden waren, die mehr als hundertmal größer als Mitosechromosomen sind (Abb. 2, H. B a u e r , H e i t z ) . Bei ihnen liegen die homologen Chromosomen unmittelbar aneinander. Ihre Einzelchromonemen haben sich vielfach geteilt, ohne sich nach der Vermehrung zu trennen. So zeigen diese Riesenchromosomen die Längsgliederung der Einzelchromonemen um ein Vielfaches vergröbert. Es wechseln färbbare Bänder (Chromomeren) mit nicht färbbaren Zwischenstücken (Interchromomeren) ab. Unter dem auf Abb. 2 a gezeichneten Chromosomenstück ist ein Buchstaben- und Ziffernsystem angegeben, nach welchem die einzelnen Chromomeren genau identifiziert werden können. Auf folgende Weise werden bestimmten Anlagen bestimmte Chromomeren zugeordnet: Bestrahlt man Taufliegen(Drosophila) mit Röntgenstrahlen, so können in ihren Keimzellen

Lokalisierung von Entwicklungsfaktoren im Eikern

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z. B. kleine Stücke der Chromonemen zerstört werden (deficiency). Man erkennt dies im Speicheldrüsenchromosom daran, daß bestimmte Chromomeren vollständig oder an einem der beiden homologen Partner fehlen. Im letzten Fall finden die unzerstörten Chromomeren kein Gegenüber und hängen in einer Schleife aus dem Chromosom heraus (Abb. 2 b). Homozygote Zerstörungen, solche an gleichen Abschnitten beider homologer Chromosomen zugleich, bringen sehr starke Schädigungen hervor. Die Tiere sterben im allgemeinen während der Eientwicldung. Höchstens können Männchen bei ganz kleinen Defekten am Ende des X-Chromosoms die Entwicklung zu Ende bringen. Aber auch heterozygote Zerstörungen dürfen bei Drosophüa nur sehr klein sein, wenn die Tiere am Leben bleiben sollen. Zwar können das ganze Y-Chromosom des Männchens oder ein Teil von ihm ohne Schaden fehlen, aber ein Drosophila-Weibchen, dem ein X-Chromosom zur Hälfte zerstört ist, geht im frühen Entwicklungsstadium ein (vgl. S. 61 f.).

Kleinste heterozygote Defekte werden gut ertragen und ermöglichen infolge ihrer spezifischen Auswirkung die Lokalisierung von Anlagen. Soll z. B. die Lage des Gens ,,Weißäugig" (w) bestimmt werden, das sich gegenüber dem Gen „Rotäugig" (w+) der Wildform bei der Kreuzung recessiv verhält, so werden rotäugige Fliegenweibchen mit Röntgenstrahlen behandelt. Läßt man solche Fliegen von weißäugigen Männchen begatten, so müssen bei den heterozygoten Nachkommen jedesmal dann weißäugige Fliegen auftreten, wenn das +Allel „Rotäugig" zerstört ist. Man untersucht die Speicheldrüsenchromosomen solcher Fliegen daraufhin, welche Banden jeweils heterozygot fehlen (Abb. 2b). In 2a ist durch schwarze Flächen das Ausmaß zweier solcher Deficiency gekennzeichnet. An der Stelle, an der sie sich überschneiden, muß der Locus für w liegen. Jedesmal wenn eine Zerstörung den Abschnitt 3 C 1 (2) trifft, werden die Fliegen weißäugig. So läßt sich klar beweisen: I n n e r h a l b eines C h r o m o n e m a sind e i n e m C h r o m o m e r oder e i n e r C h r o m o m e r e n gruppe mendelnde Erbanlagen zuzuordnen. Kreuzungsversuch und Lokalisierungsexperiment lassen wesentliche Eigenschaften der mendelnden Erbanlagen hervortreten, deren Kenntnis sich zur Beurteilung der Wir-

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a) A b b . 2 . Drosophila (Taufliege). Genlokalisierung a ) E i n S t ü c k des 1. K i e s e n c h r o m o s o m s ( X - C h r o m o s o m ) a u s d e r S p e i c h e l drüse und s c h e m a t i s c h e D a r s t e l l u n g der L o k a l i s a t i o n des mendelnden E r b faktors „ w e i ß ä u g i g " (w) durch heterocygote Chroniosoinenstiickzerstörung ( d e f i c i e n c y ) . O b e n : . R e l a t i v e E n t f e r n u n g d e r G e n o r t e n a c h dein P r o z e n t s a t z der A u s t a u s c h h ä u f i g k e i t . U n t e n : J i e z e i c h n u n g s s y s t e m d e r C h r o m o m e r e n n a c h B r i d g e s . Darunter schwarz: Chromosomenstückzerstörung nach Höntgenb e s t r a h l u n g in d e n b e i d e n u n t e r e i n a n d e r s t e h e n d e n V e r s u c h e n 2 5 8 - 1 4 u n d N - 8 M oh r dm D ü n n b o r s t i g , K ö r p e r s c h m a l , er R a u h ä u g i g . fa A n o r m a l e F a c e t t e n , F l ü g e l s p i t z e e i n g e z o g e n , pn P f l a u m e n f a r b i g e A u g e n , rat A u g e n s t a r k r a u h u n d gebeult, Körper zwergig. w W e i ß l äugig. (Aus Sturtevant und f l i e a d l e 1939, verändert)

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b) i f e t e r o c y g o t e r S t ü c k v e r l u s t ( P f e i l ) i n n e r h a l b d e s 1. S p e i c h e l drüsencbromosoms (X-Chromosom) (nach P a i n t e r 1934 aus K ü h n 1950)

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kung der Ei- und Zellkerne im Entwicklungsgeschehen als bedeutungsvoll erweisen wird: Die Erbanlagen besitzen die F ä h i g k e i t zu i d e n t i s c h e r R e p r o d u k t i o n . Ungeachtet von Neukombinationen bleiben sie im Kreuzungsexperiment d u r c h alle G e n e r a t i o n e n h i n d u r c h in i h r e r W i r k u n g k o n s t a n t . Änderungen der Erbfaktoren treten nur in

Lokalisierung von Entwicklungsfaktoren im Eikern

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relativ sehr seltenen Fällen unter besonderen Bedingungen ein. In diploiden Tiegen finden sich in der Regel mendelnde Erbanlagen — entsprechend ihrer Zugehörigkeit zu zwei einander gegenüberliegenden Chromomeren homologer Chromosomen — als A l l e l e (Gegengene) in jeweils zweifacher Anzahl. Sie sind jedoch a u c h a u ß e r h a l b des A l l e l i e v e r h ä l t n i s s e s , als e i n z e l n e Gene, h a p l o i d , w i r k s a m . — Die Allele reiner Mendelrassen gleichen einander. In Bastarden sind sie unterschiedlich gestaltet. Diese Genverschiedenheiten, durch welche sich die Mendelrassen in freier Natur auszeichnen, lassen sich auch experimentell durch Einwirkung von extremen Temperaturen, Gasen, von kurzwelligen und Korpuskular-Strahlungen auf die Keimzellen erzielen. Das +Gen zeigt unter diesen Bedingungen seine F ä h i g k e i t z u r M u t a t i o n , zu einer plötzlichen und sprunghaften Abänderung. Auch Rückmutationen sind in bestimmtem Rahmen möglich. Die Rate von spontanen Mutationen eines Gens liegt in der Größenordnung von 0,0001—0,01%. Sie kann durch kunstliche Beeinflussung sehr stark, z. B. auf das öOfache, erhöht werden. Wie sich aus Untersuchungen über die Art der Röntgenstrahlenwirkung auf die Gene ableiten läßt, bringt bereits die Strukturänderung eines Atomverbandes in einem großen Molekül oder Molekülverband eine Mutation hervor. Solche Umlagerungen können in Stufen geschehen und manchmal auch wieder rückgängig gemacht werden. T i m o f e e f f R e s s o v s k y , dem wir diese Mutationsanalyse verdanken, ist der Ansicht, daß durch die äußeren Einflüsse eine natürliche, den Atomen eigene Schwingungstendenz durch die äußeren Einflüsse zur Mutation gesteigert wird. Eine Serie von Mutanten mit stufenweis sich in gleicher Richtung steigernden Abweichungen vom +Gen wird als Serie multipler Allele bezeichnet. Sie können sämtlich das +Gen am gleichen Locus im Chromosom vertreten. Anderen Mutanten liegen stärkere Eingriffe zugrunde: Stillegung oder Zerstörung eines Genlocus, Auftrennung der Chromosomen und Inversion oder Austausch der entstandenen Stücke, Verdoppelung von Chromosomenstücken, Änderung der Anzahl einzelner Chromosomen oder der ganzen Genome.

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Ei und Furchung

Mendelnde Gene, auf deren Vorhandensein ursprünglich aus dem Kreuzungsversuch nur deshalb geschlossen werden konnte, weil sie auch in mutierter Form vorliegen, lassen sich nach ihrer Lokalisierung, dem Nachweis ihrer Zugehörigkeit zu den Chromomeren, zusammen mit den Chromosomen, Grundplasma und anderen Kernbestandteilen der Gesamtheit nucleärer Entwicklungsfaktoren einordnen und einheitlich untersuchen. Dadurch könnte im Verein mit cytologischen und physiologisch-chemischen Methoden ein neuer Weg zur unmittelbaren Aufklärung der Struktur der Gene und der Art ihrer Bindung an die Chromomeren gefunden werden. Denn aus der Mutationsforschung ließ sich zwar entnehmen, durch welchen Vorgang sich ein Gen ändern kann, aber nicht, welcher Art etwa der Molekülverband ist, durch dessen Strukturänderung die Mutation zustande kam. Andererseits öffnen sich entwicklungsphysiologische Methoden zur Erforschung der Wirkungen, die sie während des Ablaufs der Entwicklung entfalten. Dadurch, daß mutativ veränderte Gene an die Stelle von +Genen der Wildform gesetzt, gewissermaßen in den Kern transplantiert werden können, vermag der Untersucher die Wirkungen von einem +Gen und einem mutierten Gen miteinander zu vergleichen. Ebenso kann er die stärkeren Einflüsse cytologisch nachweisbarer Chromosomenund Genomänderungen studieren. Er wird durch diese Vergleiche erfahren, an welchen Entwicklungsvorgängen die einzelnen nucleären Faktoren oder Faktorengruppen angreifen. Er kann versuchen, einen solchen durch Mutieren des +Gens veränderten Entwicklungsvorgang aus den übrigen herausgelöst zu betrachten, experimentell seine mutative Abänderung wieder ausgleichen und dadurch die Bedingungen des normalen Grundvorgangs herstellen, an deren Erzeugung i n Keim der Wildform sonst das unmutierte +Gen beteiligt ist. Dieses wird II, S. 118 ff. im Einzelnen zu beschreiben sein. Das Allelieverhältnis der Gene ermöglicht das gemeinsame Zusammenwirken von den verschiedenen mutativen Ausprägungen der Anlagen, die sich infolge der Getrenntgeschlechtigkeit in der gleichen Keimzelle vereinigen. Faktoren unterschiedlicher Herkunft und entsprechend verschieden gerichteter

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Entwicklungstendenz werden jedoch auch durch gemeinsame Reaktion anderer nucleärer Orte zusammengeführt. So kann zur Bestimmung des Geschlechts die Entscheidung über die Differenzierung in männlicher oder weiblicher Richtung durch Reaktion zwischen nicht allelen Genen homologer Chromosomen fallen (Algo Protosiphon). Sie wird, wie bei Drosophila, durch Reaktionen von Genen des X-Chromosoms mit solchen des gesamten Autosomensatzes, oder, wie beim Schwammspinner Lymantria, in Reaktionen zwischen Genen des X-Chromosoms und Faktoren des Plasmas herbeigeführt (vgl. H a r t m a n n , Geschlecht und Geschlechtsbestimmung, Sammlung Göschen).

Bei der Untersuchung dieser komplementären Wirkung von Faktoren unterschiedlicher Abkunft tritt das von der Betrachtung der Erbfolge her gestellte Problem der D o m i n a n z auf, die Frage, ob einer dieser Faktoren, und welcher, ein Übergewicht in dem Sinne erhält, daß die Entwicklung der erbmäßigen Herkunft des einen oder anderen Faktors entsprechend verläuft. Die Entscheidung über die Entwicklungsrichtung mag sowohl durch Reaktionen innerhalb des Zellkerns wie auch in späteren Gliedern der Reaktionsfolgen außerhalb des Kernes oder zwischenzellig erfolgen. Allgemein sind stets vielerlei Gene an der Gestaltung eines einzelnen Merkmals mit beteiligt (Polygenie), und umgekehrt werden meistens durch eine einzige Genänderung Entwicklungsvorgänge für mehrere Merkmale zugleich betroffen (Pleiotropie der Gene). Diese Gene erscheinen zwar im Lokalisierungsversuch als trennbare Einheiten. ADer sie entfalten auch dann, wenn sie auf die Längsrichtung eines einzelnen Chromosoms verteilt sind, ihre Wirkung nicht mosaikartig: Im Falle der Mutation Bar (Bandäugig) wird durch Verdoppelung eines kleinen Stückes im X-Chromosom eine Verminderung der Ommatidienzahl des Facettenauges von Drosophila hervorgerufen. Je nach dem, ob in einem Weibchen das entscheidende Chromosomenstück viermal durch doppelte Ausbildung in den beiden X-Chromosomen vorhanden ist, oder ob diese Vierzahl durch Verdreifachung in einem X-Chromosom und einmaliger Anwesenheit im gegenüberliegenden erreicht wird, vermindert sieh die Anzahl der Facetten mehr oder weniger (vgl. II, Abb. 34d).

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Die C h r o m o m e r e n s t e h e n a l s G l i e d e r e i n e s g e m e i n s a m e n A n l a g e n s y s t e m s in B e z i e h u n g z u e i n a n d e r . Sie s i n d in e i n e A r c h i t e k t u r des G e s a m t c h r o m o s o m s u n d d e s G e n o m s e i n g e f ü g t , die e n t w i c k l u n g s p h y s i o l o g i s c h f ü r sie ein ü b e r g e o r d n e t e s G a n z e darstellt. Der verwickelte Aufbau der Chromosomen erfordert eine besondere Substanzzusammensetzung. Nach der Prüfung durch F e u l g e n - R e a k t i o n und die Untersuchung im Ultraviolettspektrum ( C a s p e r s s o n , S c h u l z ) bestehen in demjenigen Bereich des Chromonema, in dem Chromomeren und Interchromomeren miteinander abwechseln, dem Euchromatin (Abb. l a 2 E u ) , die Chromomeren vorwiegend aus Thymonucleoproteiden (Desoxyribose - Nucleinsäureverbindungen) und einfachen Eiweißen vom Histontypus (DN + Hi). Die Nukleinsäuren sind Eiweißverbindungen aus Purinen, Pentosen (Ribose) und anorganischem Phosphor. In den Interchromomeren befinden sich höhere Eiweißverbindungen vom Typus der Globuline (E). Außerhalb des Genbezirks der Chromomeren besteht das Chromonema aus Heterochromatin (Het). Es enthält neben Thymonucleoproteiden vorwiegend Histone. In den aus ihm hervorgehenden Nucleolen wie im Kernsaft befinden sich Ribonucleoproteide (RN). Die Thymonucleoproteide, welche auf die Chromonemen beschränkt sind, zeichnen sich gegenüber den Ribonucleoproteiden durch eine sehr starke Tendenz zur Polymerisation in besonders lange Molekülketten mit einer überaus großen Anzahl verschieden strukturierter und zu mannigfaltigsten Funktionen befähigter Elementargruppen aus, während die Ribonucleoproteide sich mehr zum Aufbau einheitlicherer Eiweißsubstanzen eignen. b) Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas Im Gegensatz zum Kern konnten bisher im Cytoplasma der Eier einzelne gut zu kennzeichnende Teile nicht abgegrenzt werden, welche allen Eiern der verschiedenen Tiergruppen in gleicher Weise zukommen. Eier jeder Tierform zeigen im Plasma eine besondere Architektur, und so müssen allgemeine Aussagen über das Cytoplasma stets mit Rücksicht auf den

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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systematischen Typus des Eies und des Tieres, dem es entstammt, ausgesprochen werden. Allgemeine Eigenschaften des Cytoplasmas sind überlagert durch die speziellen Gesetzmäßigkeiten, die sich jeweils aus der besonderen Anordnung von Plasmen bestimmter Zusammensetzung und Struktur ergeben. Häufig machen die Cytoplasmabestandteile während der Reifeteilungen des Keimes noch bedeutungsvolle Umlagerungen durch, um ihre Architektur zu vollenden. Mit besonderer Deutlichkeit läßt sich bereits von Anfang an nach einfachen morphologischen Kennzeichen eine Richtungsorganisation im Ei feststellen. Der Ort, an dem bei den Reifeteilungen die Richtungskörper abgeschieden werden, ist bei den Eiern fast aller Tiere besonders ausgezeichnet. E r wurde von C a r l E r n s t v o n B a e r als animaler Pol bezeichnet, da aus dem Gebiet seiner Umgebung kennzeichnende animale Organe, z.B. das apikale Sinnesorgan und das Nervensystem, aus dem Gegenpol aber als vegetatives Organ das Darmsystem hervorgehen. Tatsächlich entspricht in der Mehrzahl der Fälle der animal-vegetativen Hauptachse des Eies die VornHinten-Achse des entstehenden Tieres. B o v e r i versuchte als erster beim Seeigelei, diese Achse auf diejenige der wachsenden Keimzellen im Ovarium zurückzuführen. Die Mikropyle und der Kanal in der Gallerthülle (GaK), in den hinein die Richtungskörper (R.K) später abgeschieden werden (Abb. 3 a—c), liegen der Anheftungsstelle der Ovogonie im Keimepithel des Ovariums genau gegenüber ( L i n d a h l ) . Der große Kern des unreifen Eies ist stets dem Richtungskörperpol genähert und läßt so auf eine vom animalen zum vegetativen Pol hin sich verändernde Dichte des Eiinhaltes schließen. Bei Eiern, welche mehr Dotter enthalten, n i m m t dieser im allgemeinen vom animalen zum vegetativen Pol hm deutlich sichtbar zu.

Der Besprechung über allgemeine Substanz- und Struktureigenschaften des Cytoplasmas sollen Untersuchungen im Seeigelei zugrunde gelegt werden. Im unreifen Ei besteht das Plasma aus zentralem E n t o p l a s m a und einer R i n d e (Kortex, Ectoplasma). Das Ei mißt im Durchmesser etwa 80^, die Rinde ungefähr 1 ¡i (vgl. auch das Ei von Limnaea Abb. 8 a, Enpl, Rd). Unmittelbar umgeben ist die Rinde von einem plasmatischen Oberflächenhäutchen. Nach innen hin setzt sich die Rinde vom 2

Seidel,

E n t w i c k l u n g s p h y s i o l o g i e d e r Tiere T

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Ei und Furchung

Entoplasma ab, ist aber als Ectoplasma ein wesentlicher Bestandteil des lebenden Zellplasmas. Sie kann nicht entfernt werden, ohne daß das Leben des Eies zerstört wird, während sich die außerhalb des Oberflächenhäutchens folgenden Hüllen ohne Gefahr ablösen lassen: Die äußerst feine, der unreifen Eizelle dicht anliegende Dottermembran (Abb. 3 a,

A b b . 3. Paracentrotus{ Seeigel). B i l d u n g des P i g m e n t r i n g e s im Ei. R e i f e t e i l u n g u n d F u r c h u n g ( B o v e r i 1901) a) U n r e i f e s Ei. O v o c y t e 1. O r d n u n g , b) Ei m i t j u n g e m E i k e r n u n d beiden R i c h t u n g s k ö r p e r c h e n . P i g m e n t noch d i f f u s ü b e r die E i o b e r f l ä c h e v e r t e i l t , c) Ei kurz nach d e r B e f r u c h t u n g . B e f r u c h t u n g s m e m b r a n a b g e h o b e n . P i g m e n t r i n g bereits kurz vor der B e f r u c h t u n g gebildet, d) Zwei Zellen in V o r b e r e i t u n g z u r n ä c h s t e n T e i l u n g , e) V i e r z e l l e n s t a d i u m , f) A c h t z e l l e n s t a d i u m , g) 1GZellenstadium Bf B e f r u c h t u n g s m e m b r a n . Do.M D o t t e r m e m b r a n ( E i m e m b r a n ) . Eik E i k e r n , ö a G a l l e r t h ü l l e . GaK G-allertkanal. Ma M a k r o m e r e . Me Mesomere. Mi Mikroinere. Fi P i g m e n t r i n g . R.K R i c h t u n g s k ö r p e r

Do.M, Vitelline Membran, Dotterliäutchen) und ganz außen die Gallerthülle (Ga). Das Entoplasma ist nicht homogen. Befreit man es durch Zentrifugieren des Eies von allen Einschlüssen, sowohl plasmatischer wie auch paraplasmatischer Art, so findet man es im polarisierten Licht doppelbrechend ( R u n n s t r ö m ) . Seine Elemente, die offenbar durch das Zentrifugieren parallel orientiert wurden, besitzen demnach auch im lebenden, nicht ge-

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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schädigten Ei eine fibrilläre Struktur. Die Cytoplasmafibrillen verkörpern hochorganisierte Einheiten, welche in wäßriger Flüssigkeit dispergiert sind. So läßt sich die fibrilläre Phase als G r u n d c y t o p l a s m a von der flüssigen als E n c h y l e m a unterscheiden: Das fibrilläre Grundcytoplasma besteht aus Lipoiden und Proteinen. Die Fibrillen stellen nicht etwa einzelne Polypeptidketten dar, sondern vielmehr Bündel zahlreicher solcher Ketten. Homogen erscheint das Grundplasma, wenn die Fibrillenbündel ein richtungsloses Geflecht bilden. Da sich die Fibrillenbündel mehr oder weniger fest aneinanderhängen und auch wieder voneinander lösen können, da den langen Polypeptidmolekülen der Bündel als Seitenketten verschiedenartigste Verbindungen angefügt und auch wieder entzogen werden können, ist es bei diesem Bau des Grundplasmas möglich, daß auf geringstem Raum im Ei die allerverschiedensten chemischen Reaktionen genau lokalisiert räumlich nebeneinander oder raumzeitlich fortschreitend hintereinander stattfinden können. Alle diese Reaktionen sind im Ei stets durch Fermente kontrolliert. Wenn das Plasma in seinem Aggregatzustand auch als flüssig angesprochen werden muß und kolloidchemisch gesehen nahezu immer ein Gel bleibt, so lassen sich doch die Gesetzmäßigkeiten der in ihm ablaufenden Vorgänge nicht ohne weiteres mit den Mitteln der Physik, Chemie oder Kolloidchemie erfassen, weil es eben aus Strukturelementen besteht, die selbst nicht Moleküle sind, sondern bereits eine verwickelte Struktur zeigen. Im Einzelaulbau erscheinen die Grundplasma-Fibrillen ebenso quergestreift wie die Chromonemen (Monn6). Wie in letzteren thymonucleinsäurehaltige und -freie Abschnitte miteinander abwechseln, so sollen in den Cytoplasmafibrillen verdickte, etwa 1 ft messende ribonucleinsäurehaltige Abschnitte mit -freien Abschnitten, welche man hier Chromidien und Interchromidien nennt, die Querstreifung bedingen. Da Wachstum nur in Anwesenheit von Nucleoproteiden erfolgen kann, vermutet man in den Chromidien Zentren des Cytoplasma-Wachstums. Desgleichen werden die Chromidien auch für die Stoffwechsel- und Atmungszentren des Cytoplasmas gehalten. Den Cytoplasma-Fibrillen erkennt man bereits wesentliche Eigenschaften lebender Elemen2*

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Ei und Furchung

tarteile, wie Stoffwechsel, Reizbarkeit, Kontraktilität, Selbstverdoppelung zu. I m Enchylema b e f i n d e n sieh normalerweise die d u r c h Zent r i f u g i e r u n g v o m G r u n d c y t o p l a s m a t r e n n b a r e n Einschlüsse, Mitochondrien, Mikrosomen, P i g m e n t e , D o t t e r k ö r n c h e n usw. U n t e r ihnen sind die Mitochondrien u n d Mikrosomen wiederum besonders verwickelt s t r u k t u r i e r t e plasmatische Gebilde, die sehr wahrscheinlich der Selbstteilung fähig sind. Sie sind T r ä ger von F e r m e n t e n . Den Mikrosomen wird wie den Chromidien besondere F u n k t i o n beim A u f b a u des Cytoplasmas zugeschrieben, da sie neben A t m u n g s f e r m e n t e n u n d P r o t e a s e n vor allem Ribonucleinsäuren e n t h a l t e n (vgl. S. 45, I I S. 69). Die ectoplasmatische Rinde besitzt eine submikroskopische S t r u k t u r , welche a u c h d u r c h s t a r k e s Zentrifugieren nicht abg e ä n d e r t werden k a n n . V e r m u t l i c h sind in ihr die P o l y p e p t i d k e t t e n n i c h t gebündelt, sondern einzeln nach A r t eines geschichteten Geflechtes in eine feste O r d n u n g g e b r a c h t . U n m i t t e l b a r u n t e r der R i n d e b e f i n d e t sich auf der Grenze z u m

A b b . 4. Arbaeia (Seeigel). F r a g m e n t i e r u n g der u n b e f r u c h t e t e n Hier d u r c h Z e n t r i f u g i e r u n g ( n a c h K. B. H a r v e y ISKJO', 1U40) a) U n v o l l s t ä n d i g e S c h i c h t u n g , b) V o l l s t ä n d i g e S c h i c h t u n g , c,) W e i ß e H ä l f t e . c ä ) R o t e H ä l f t e . d , , 2 ) Die gleichen H ä l f t e n e r n e u t z e n t r i f u g i e r t . e,) K l a r e s Viertel. e 2 ) G r a n u l a - V i e r t e l . e 3 ) D o t t e r - V i e r t e l . e 4 ) P i g m e n t - V i e r t e l Do D o t t e r . Gpl G r u n d c y t o p l a s m a ( k l a r e s P l a s m a ) m i t EU- E i k e r n . Mit Mitoc h o n d r i e n . Öl Ülschicht. PI P i g m e n t . P f e i l : Z e n t r i f u g a l e R i c h t u n g

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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E n t o p l a s m a noch ein besonders zähflüssiges subkortikales Ectoplasma. Wie aus diesen Untersuchungen über die Bestandteile und Strukturen des Cytoplasmas hervorgeht, sind bereits die kleinsten uns zugänglichen Teile geformt. Das C y t o p l a s m a i s t eine organisierte M a n n i g f a l t i g k e i t von E l e m e n t a r gebilden, welche selbst bereits eine b e s t i m m t e organismische Struktur besitzen. An zwei Beispielen sollen nunmehr typische Architekt u r e n von E i c y t o p l a s m e n aus systematisch verschiedenen Gruppen gekennzeichnet werden. Zum Eitypus m i t w e n i g differenzierter Cytoplasmaarchitektur gehört das Seeigelei. Um dieses ganz zu beschreiben, müssen den bereits genannten Kennzeichen noch einige hinzugefügt werden. Die Methode, Eier zu zentrifugieren, h a t sich als besonders geeignet erwiesen, um die Beziehungen einzelner Plasmabestandteile zueinander kennen zu lernen und sie einzeln oder im Gefüge zu untersuchen. Wie die Rinde sich durch ihre Unveränderlichkeit selbst bei starker Zentrifugierung als ein geschlossenes Teilsystem erwies, so bleiben auch häufig besonders strukturierte Teile im Entoplasma je f ü r sich undurchmischbar zusammen und zeigen so an, daß sie innerhalb des Eiraumes Territorien bestimmter Funktionen bilden. Zentrifugiert m a n die rot pigmentierten Eier vom Seeigel Arbacia in einem Seewasser, welches über eine Rohrzuckerlösung geschichtet ist (E. B. H a r v e y ) , so wird verhütet, daß die Eier am Boden des Zentrifugierröhrchens zerdrückt werden. Die Bestandteile zunächst des ganzen Eies ordnen sich der Schwere nach in Schichten an (Abb. 4 a b ) . Zentripetal sammeln sich eine Ölschicht (öl), zentrifugal D o t t e r (Do) und Pigment (Pi), in der Mitte klares Entoplasma (Gpl) an, in dessen zentripetalem Teil sich der Kern befindet und dem sich zentrifugal die Mitochondrien (Mit) anlagern. Bei weiterer Zentrifugierung werden die Eier hantelförmig und schließlich in Stücke gerissen (Abb. 4c). W ä h r e n d die Ganzeier an der Schichtgrenze liegen, häufen sich die leichten „weißen" Eihälften zentripetal in der Nähe der Oberfläche des Seewassers, die schweren „ r o t e n "

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Ei und Furchung

zentrifugal am Boden des Röhrchens an. Erstere enthalten alle Eibestandteile, letztere meist Dotter und Pigment. Schließlich lassen sich durch stärkere und längere Zentrifugierung aus den Hälften Yierteleier herstellen (Abb. 4d e), von denen die leichtesten „weißen" Vierteleier lediglich etwa 61% des klaren Entoplasmas mit dem Kern und Öltröpfchen enthalten (Abb. 4ft1). Noch aus solchen können nach Besamung kleine ganze Plutei hervorgehen, welche lediglich etwas zu kurze Arme besitzen. Sowohl Pigment wie Mitochondrien treten in den Plutei nach 4 Tagen neu auf. So lassen die Zentrifugierungsversuche erkennen, daß sich die wesentlichen formbildenden Faktoren nicht in den grob sichtbaren, verlagerbaren Bestandteilen Dotter, Pigment und Mitochondrien befinden. An der Atmung gemessen ist die Stoffwechseltätigkeit zwar in kernlosen „roten" Eihälften (c2) größer als in den kernhaltigen „weißen" Eihälften (c,). Aber f ü r d i e F o r m bildung e n t s c h e i d e n d ist das homogene E n t o p l a s m a m i t d e m K e r n , im wesentlichen das Grundcytoplasma, welches den überwiegenden Teil des Eies an Ribo- und Thymonucleinsäuren enthält. Während an diesem Grundcytoplasma, ebenso wie an den entoplasmatischen Einschlüssen, Veränderungen während der Eibildung nicht zu erkennen sind, sondern nur festzustellen ist, daß sich bei den Reifeteilungen das Karyoplasma dem Cytoplasma beimischt, zeigt das Rinden-Eetoplasma um so auffälliger bestimmte U m l a g e r u n g e n : Das orangerote Pigment des Paracentrotus-Eies, welches zunächst im gesamten Eiplasma fein verteilt ist, wird sofort nach den Reifeteilungen durch einen sehr schnell verlaufenden Prozeß, der bisher der Beobachtung entging, im Ectoplasma unmittelbar unter der Rinde zu einem dichten subäquatorialen Ring versammelt ( B o v e r i , Abb. 3c). Weitere Verlagerungen in der Rindenschicht erkennt man im Dunkelfeld ( R u n n s t r ö m ) . I m V e r l a u f d e r F u r c h u n g des Seeigeleies b l e i b t die g e w o n n e n e S u b s t a n z a n o r d n u n g im wesentlichen e r h a l t e n , da lediglich die äußerste Schicht der Rinde beim Einschneiden der Furchen ins Entoplasma hineingezogen, bzw. durch einen Wachstumsprozeß als Blastomerengrenze ausgezogen wird.

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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Pigmentring und Dunkelfeldring verschieben sich nicht (Abb. 3c—g), bleiben auch an der Oberfläche des Eies. Die beiden ersten Furchen schneiden meridicnal ein (Abb. 3d, e), die dritte äquatorial, wobei die vegetativen Blastomeren größer als die animalen werden (Abb. 3f). Die vierte Furche trennt am vegetativen Pol kleinste vegetativste Blastomeren ab. Man kann hier nun Makro- und Mikromeren unterscheiden (Abb. 3 g, Ma, Mi), während die animalen Zellen äqual zu Mesomeren (Me) geteilt werden. Die weitere Entwicklung ist aus II, Abb. 10 zu ersehen.

Das Seeigelei ist eines der wenigen, in denen sich am Anfang der Entwicklung morphologisch lediglich im Ectoplasma der Aufbau der Architektur andeutet. Es wurde deshalb seiner primären Organisation nach zum wenig differenzierten Eitypus gezählt. Für das entwicklungsphysiologische Verhalten des Ganzen und der Teile werden sich daraus bestimmte Folgerungen ergeben, von denen hier zunächst nur diejenigen erwähnt seien, die die Architektur der Plasmen im Ei deutlich hervortreten lassen. Da sich während der Zentrifugierung die Eier in beliebige Eichtungzur Schwereachse einstellen, kann bei ihnen über die jeweilige Herkunft der Eirindenteile nichts ausgesagt werden. Dazu muß man das Ei mit feiner Glasnadel durchschneiden. Geschieht dies vor der Besamung längs des Äquators ( H ö r s t a d i u s , Abb. 5a b), so verhalten sich animale und vegetative Hälfte hinsichtlich der Furchung, der Gastrulation und dem weiteren Entwicklungsergebnis durchaus verschieden: Der Eikern kann bei diesem Experiment in die animale oder vegetative Hälfte gelangen. Nach Befruchtung vermögen sich beide Hälften zu entwickeln. Die eine wird einen diploiden, die andere einen haploiden Kern besitzen. Im folgenden sind, um die Kernverschiedenheiten vernachlässigen zu können, immer entweder diploide oder haploide Hälften miteinander verglichen.

Animale Hälften vom unbefruchteten Ei furchen sich stets äqual. Herkunftsgemäß bilden sich immer Mesomeren (Me, Abb. 5 c). In der Blastula bleiben die starren animalen Wimpern nicht als Schopf begrenzt (Abb. 24), sondern breiten sich über den ganzen Keim hin aus (Abb. 5 d). Diese animalen Hälften können weder gastrulieren, noch ein Skelett eilt-

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Ei und Furchung

Abb. 5. Arbac.ia (Seeigel). Entwicklungsergebnisse äquatorialer Durchschneidung und Besamung der Fragmente ( H ö r s t a d i u s 1937) a, b) Experiment, c) Furchung der animalen Hälfte, d) Entstehung einer Blastula mit vergrößertem Wimperschopf aus dieser, e) Furchung der vegetativen Hälfte mit Mikromeren (Mi) am ursprünglich vegetativen Pol. f, g) Verschiedene Ergebnisse aus e). f) Ovoide Larve mit Darm und Skelett, g) Pluteus Eik Eikern. Gak Gallertkanal (Mikropyle). Ma Makromere Me Mesomere. Mi Mikromere

wickeln. Vegetative Hälften bilden dagegen in der Furchung Makro- und Mikromeren (Abb. 5e). Sie gastrulieren und bringen neben nicht vollständig ausgebildeten (vgl. II, S.31) auch Pluteus-Larven hervor (Abb. 5f, g). Die Tatsache, daß überhaupt aus einem Teil eines Eies ein ganzes Individuum hervorgehen kann, mag hier vorerst noch außer Acht bleiben. Wichtig ist für die vorliegende Betrachtung: Schon d a s P l a s m a des u n b e f r u c h t e t e n E i e s e n t l a n g d e r a n i m a l - v e g e t a t i v e n H a u p t a c h s e ist h i n s i c h t l i c h der A n o r d n u n g der E n t w i c k l u n g s f a k t o r e n verschieden. Dieses kann für Eier aller Tiere verallgemeinert werden. Es gibt keines, welches sich anders verhielte. — In der vegetativen Hälfte befindet sich Cytoplasma mit Fähigkeiten zur Gastrulation. Ein Bezirk, der, wie dieser, durch besondere Entwicklungsleistung hervortritt, soll als „ P l a s m a t i s c h e r F a k t o r e n b e r e i c h " bezeichnet werden, auch wenn er hier nicht morphologisch, sondern nur entwicklungsphysiologisch abge-

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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grenzt ist (vgl. dazu I I , S.38). Die cytoplasmatischen F a k t o r e n f ü h r e n in diesem Falle die gestaltbildenden Vorgänge in dem gleichen Bereich, in dem sie liegen, herbei. Teilt m a n das Seeigelei, an dem ja äußerlich eine bilaterale Sonderung von Plasmabestandteilen nicht zu erkennen ist,

Abb. 6. Paraeentrotus (Seeigel). Entwieklungsergebnisse meridionaler Durchschneidung und Besamung der Fragmente ( H ö r s t a d i u s 1936) a) Schema des Experiments. b, c) Ein Paar von Rechts-links-Hälften: b) Pluteus aus der diploiden Hälfte, in der Entwicklung voran, mit verkürztem Arm an der Schnittfläche, c) Haploide Hälfte vor Ausbildung der Pluteusarme. Skelett der Schnittseite in der Entwicklung zurück Eik Eikern. Gak Ort des Gauertkanals (Mikropyle). Pi Pigmentring

(Abb. 6, H ö r s t a d i u s ) und besamt die H ä l f t e n dann, so geben beide eine verkleinerte normale Furchung. Von zwei zusammengehörigen H ä l f t e n ist die haploide immer in der Entwicklung zurück (c). D a aber in beiden (b und c) die Schnittseite schlechter entwickelt ist als die außenliegende freie Seite, so muß vor der Durchschneidung auch eine gewisse V e r s c h i e d e n h e i t d e s E i p l a s m a s i n d e r R e c h t s l i n k s - R i c h t u n g vorhanden gewesen sein. W e n n sich anímale H ä l f t e n anders furchen als gleichkernige vegetative, oder nur letztere gastrulieren, so ist damit über ihre plasmatischen Entwicklungsfaktoren insbesondere gesagt, daß sie nicht nur ihrer materialen Bildungsaufgabe nach verschieden sind, sondern daß sie vor allem auch unterschiedliche materialbewegende Kräfte hervorrufen müssen. Die Wirkung solcher K r ä f t e kann f ü r die Furchung noch besonders gezeigt werden. Durch verdünntes Seewasser, Schütteln oder mechanisches Zerschneiden wird der Kern vorübergehend an der

Ei und Furchung

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f>-

o.

B.

b.

C.

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c.

d.

e.

Abb. 7. Paracentrotus (Seeigel). Schematische Darstellung der Einstellung der Kernspindeln bei verzögerter Furchung nach normaler Besamung. Zu gleicher Zeit erreichte Stadien übereinander gezeichnet ( H ö r s t a d i u s 1928) A—E) Normaler Ablauf der Furchung bis zum 16-Zellenstadium. a—e) Furchungsteilung gegenüber der normalen Entwicklung um einen Schritt verzögert, e) „Vorzeitige" Mikromerenbildung

Teilung gehindert. Beginnt nun die Furchung verspätet, zu einer Zeit, in der etwa die normalen Eier im Zweizellenstadium sich befinden (Abb. 7, b, B), so schneidet wohl die erste Furche meridional ein, die zweite jedoch unmittelbar äquatorial, wie die dritte der Normalkeime (d, D). Die dritte Furche führt bereits zur Bildung von Mikromeren wie sonst die vierte (e, E): Unabhängig von der Teilungsbereitschaft der Kerne muß von der Besamung an im P l a s m a eine Z u s t a n d s ä n d e r u n g ablaufen, durch welche die R i c h t u n g der S p i n d e l n u n d der e i n s c h n e i d e n d e n F u r c h e n g e l e i t e t wird und die gebildeten Blastomeren eine bestimmte Form erhalten (vgl. S. 93). — In Übereinstimmung mit dieser Feststellung richten sich bei art- oder gattungsfremd besamten Seeigeleiern die Form und Größe der Blastomeren und die Furchungsgeschwindigkeit nach der Art- oder Gattungszugehörigkeit des Eiplasmas (Driesch, B o v e r i , Moore). Durch die Zentrifuge geschichtete Ganzeier (Abb. 4a) entwickeln sich normal. Nach einiger Zeit ist das zunächst am schweren Ende gesammelte Pigment wieder gleichmäßig verteilt. Auch in anderen Fällen, in denen mittels der Mikropipette eines Mikromanipulators bis zu 50% des Entoplasmas

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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abgesogen sind, entstehen völlig harmonisch verkleinerte Plutei. Da sich beim Zentrifugieren die Rinde nicht verlagert und sie beim Absaugen des Entoplasmas allein in ursprünglicher Ordnung erhalten blieb, so sind damit gewisse Hinweise auf die B e d e u t u n g d e r E i r i n d e f ü r d i e A u f r e c h t e r h a l t u n g d e r E i o r g a n i s a t i o n gegeben, über die nach Untersuchungen an anderen Eitypen noch Genaueres ausgesagt werden kann. Sehr viel auffälliger als beim Stachelhäuterei treten bei den Eiern der Gliedertiere (z. B. Borstenwürmer und Insekten) und der Weichtiere, sowie der Mantel- und Wirbeltiere morphologisch die Aufbauvorgänge hervor, weil sie dort mei-

subc.P Abb. 8. Limnaea (Schlammschnecke). Chemodifferenzierung und Furchung (nach R a v e n 1948) a) Frisch abgelegtes Ei. b) Ausbreitung des vegetativen Polplasmas (reg. Ppl) über die Eioberfläche in animaler Richtung, c) Bildung des animalen Polplasmas (an. Ppl). d) Beginn des Zweizellenstadiums, e) 8-Zellenstadium: Anreicherung des dichten Plasmas (subkortikales Plasma (aubc. P) + an. Ppl + Plasmahof der Kerne) in den Mikromeren (Mi) Enpl Entoplasma. Ma Makromeren. Hd Plasmarinde. R.K Richtungskörper. R.Sp Richtungsspindel. Vh Vorkern

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Ei und Furchuiig

stens auch das Entoplasma betreffen. Als Beispiel f ü r einen Eitypus mit stark differenzierter Cytoplasmaarchitektur möge das Ei der Schlammschnecke Limnaea dienen ( R a v e n ) . Unmittelbar nach der Bildung der ersten Richtungsspindel zeichnet sich am frisch abgelegten Ei folgende A n o r d n u n g d e u t l i c h zu u n t e r s c h e i d e n d e r P l a s m e n u n d D o t t e r b e s t a n d t e i l e ab: Im vegetativen Viertel liegt der Eiweißdotter in Form kleiner /J-Granula vor (Abb. 8 a veg. Ppl). Diese färben sich ebenso wie das Cytoplasma, welches hier als vegetatives Polplasma bezeichnet wird, mit Azan blau. In den übrigen Teilen des Eies finden sich in einem orange gefärbten Plasma neben einzelnen fein verteilten ß-Gretnula vor allem größere acidophile Eiweißdotter-Granula (y-Granula) von tiefroter Farbe und eine große Menge feiner orangeroter Mitochondrien («-Granula). In der zentrifugierten Ovocyte lassen sich die einzelnen Plasmabestandteile und paraplasmatischen Reservematerialien noch gründlicher trennen, so daß man an der Darstellung dieses Beispiels einen besonders guten Überblick über alle wesentlichen Systemteile einer stark differenzierten Eistruktur gewinnt (Abb. 9). Nach dem Zentrifugieren grenzen sich drei Hauptzonen ab, zentripetal eine Fett-, Dotter- und Lipoidzone, in der Mitte eine Zone klaren Plasmas mit dem Kern, zentrifugal die Eiweißdotterzone. Als Aufbauorte sind für das Plasma auch die Teilsysteme des Kernes, Karyoplasma, Chromosomen, Nucleolen, wesentlich. Sehr auffällig zeichnen sich insbesondere an letzteren verschiedenartige Funktionszustände ab. Die jüngsten Ovocyten besitzen zwei Nucleoli verschiedener Größe, von denen nur der größere auch später bleibt. E r ist zunächst acidophil, dann als Amphinucleolus in den äußeren Teilen, schließlich ganz basophil. In seinem Innern oder an seiner Oberfläche produzierte Substanzen, Eiweiß, Ribonucleinsäure, Glutathion, ionisiertes Eisen, werden in rhythmischer Folge in die Karyolymphe und oft von dort durch die Kernmembran in das Cytoplasma in Form von Vakuolen, Granula oder Kolloidteilchen abgegeben (Abb. 16). Das Zusammenspiel von Kernund Plasmafaktoren beim Aufbau des Plasmas wird später

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas B. Aufbau-Orte: Chromosomen Grundkoryoptasma Nudeotus Cvtopiasma mit den ßiidungsstrukturen Mitochondrien • Diktyosomen D. Reserve-u.Autbautlateriatien: Glykogen Eiweiß Fett u. Lipoide Ribonuc/einsöure Thy monucteinsdure

A. Genetische

29 Basis:

C. Oxvdo-Redudions svstem

VitaminC J Eisen Oo/gisubstonj

A b b . 0. Limnaea ( S c h i a m m s e h n e e k e ) . S c h e n i a t i s c h e Ü b e r s i c h t ü b e r die S t r u k t u r e n iu der a u s g e w a c h s e n e n O v o c y t e nach Z e n t r i f u g i e r u n g . P f e i l : Z e n t r i f u f i a l e . R i c h t u n g , (im A n s c h l u ß a n R a v e n 1948, v e r ä n d e r t )

(S. 39ff.) zu schildern sein. Von der Tätigkeit desCytoplasmas selbst zeugen Dildungsstruläuren, die in ihm entstehen und vergehen: Golgikörper oder Diktyosomen und Mitochondrien. Während von den Reserve- und Ausbaumaterialien die Fette lind Lipoide meist spontan als Vakuolen im peripheren Cytoplasma auftauchen, wird der Eiweißdotter durch den G o l g i a p p a r a t aufgebaut. Dieser liegt in der jungen Ovocyte an der Seite des Kernes und besteht aus einem basophilen Substrat und osmiophilen Granula. Letztere geben den Golgikörpern oder Diktyosomen den Ursprung, die sich durch Teilung vermehren und aus sich die ß- und y-Eiweiß-Dotterkügelchen hervorgehen lassen. Glykogen findet sich nur in gelöster Form vor. Kibonucleinsäure für die Eiweißbildung läßt sich sowohl innerhalb des Cytoplasmas wie im Nueleolus nachweisen. Lipoid-Eiweiße entstammen den Mitochondrien. In jungen Ovocyten sind sie granulär, in älteren werden sie fadenförmig. Schließlich zerfallen sie wieder in Granula und verteilen sich als «-Granula im Plasma außerhalb des vegetativen Polplasmas (Abb. 8a, animal, im En. pl). Der Gehalt des Cytoplasmas an Ribonuclein-

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Ei und Furchung

säure nimmt während des Aufbaues der Dottersubstanz ab. Am Ende der Ovogenese wird außerdem besonders von den jS-Granula ein großer Teil dieser Säure absorbiert. Thymonucleinsäure ist lediglich in den Chromosomen vorhanden. Besonders zusammengestellt seien noch diejenigen Teilkörper und Substanzen im Ei, welche dem Oxydo-Reduldionssystem des Cytoplasmas (und Kernes) zugehören: In der jungen Ovocvte finden sich in der Nähe des sich auflösenden Golgi-Feldes eine kleine Gruppe feiner Granula von Indophenol-Oxvdase. Sie sammeln sich während des intrafollikulären Wachstums in der Umgebung des Kernes an. Ihre Vermehrung zur Zeit der Entstehung des Dotters weist, ebenso wie ihre Anwesenheit in den Follikelzellen, auf ihre Teilnahme am Eistoffwechsel hin. Man findet sie bei voll ausgewachsenen Ovocvten in Gruppen von 2—5 an der ganzen Eiperipherie, wo sie auch die Zellatmung fördern. Aus verschiedenen Untersuchungen geht hervor, daß neben diesen Granula (Mikrosomen) die Mitochondrien wesentlich als Träger von Fermenten zur biologischen Oxydation in Betracht kommen. — Im Gegensatz dazu spielt die Golgisubstanz mit ihrem Reichtum an Lipoiden und ungesättigten Fettsäuren eine Rolle als Wasserstoffüberträger. — Zum nicht encymatischen Hilfssystem der Oxy-Reduktion gehören Eisen in den Haeminen, Glutathion und Ascorbinsäure (Vitamin C). Eisen befindet sich als Sauerstoffüberträger in großen Granula im Cytoplasma, insbesondere nahe dem Kern und in den Diktyosomen. Später, nach der Eiablage, ist es an die /¡-Granula gebunden und im basophilen Teil des Nucleolus nachzuweisen. Glutathion, dessen chemisch hoch aktive SH-Gruppe durch Übergang in die Disulfidgruppe Wasserstoffatome übertragen und damit Oxydationsvorgänge regulieren kann, läßt sich anfänglich im Nucleolus sowohl im acidophilen wie im basophilen Teil feststellen. Es tritt von dort ins Karyoplasma. über. Der anfängliche Gehalt des Cytoplasmas an Glutathion nimmt während der Ovogenese ab und vermehrt sich mit der Bildung der Reifespindel durch Zufuhr aus dem Kern wieder. Ascorbinsäure ist in kleinen Granula frei im Plasma vorhanden, wie auch den Diktyosomen angelagert. Sie vermag durch ihre Bereitschaft zur Sauerstoffaufnahme reduzierend zu wirken und ähnlich wie Glutathion bei einem Überangebot an Oxydationsmitteln regulierend in die Oxydo-Reduktionsprozesse einzugreifen. Bewegungsvorgänge wahrend Eibildung und Furchung sind bei diesem differenzierten Eitypus a u c h i m E n t o p l a s m a zu beobachten. Zur Zeit der Reifeteilungen breitet sich das

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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vegetative, /J-Granula haltige Polplasma in Richtung auf den animalen Pol unter der Rinde aus (Abb. 8 b, subc. P). Am animalen Pol sammelt sich aus dem Eiinnern ein dichtes Plasma mit vielen «-Granula (Mitochondrien) (Abb. 8 c, an. Ppl). Kurz vor Einschneiden der dritten Furche vereinigt sich das subkortikale Plasma mit dem animalen Polplasma, zu dem noch verdichtetes Plasma aus der Umgebung der Furchungskerne hinzutritt (Abb. 8e). Dieses kombinierte Plasma, das demnach viel Mitochondrien und //-Granula, und entsprechend Ribonucleinsäure und SH-Verbindungen, enthält, gelangt in die animalen Mikromeren (Mi), die Bildner ectodermaler Teile, während sich in den entodermalen und mesodermalen Makromeren (Ma) im wesentlichen vakuoläres Plasma mit den im Innern des Eies verbliebenen y-Eiweißdottergranula und Fettro.pfen befinden. Das Ei hat während seiner Bildung eine Architektur gewonnen, die nicht nur morphologisch die Differenzierung in der animal-vegetativen Achse durch bestimmte Plasmenanordnung hervortreten läßt (Abb. 8 a), sondern auch über Kräfteanordnungen verfügt, um schrittweise Bewegungen der Plasmen einzuleiten, durch welche die Blastomeren während der Furchung ein bestimmtes Material erhalten (Abb. 8 e). Sehr bemerkenswert ist dabei, daß sich bei diesem Eitypus mit stark differenzierter Plasmenanordnung die Furchungswände nicht wie beim Seeigelei nur durch die äußerste Schicht der Rinde bilden, sondern daß mit der Furche die gesamte Eirinde einschließlich des subkortikalen Plasmas zur Oberflächenschicht der neuen Blastomere wird (Abb. 8 d). Über die entwicklungsphysiologischen Fähigkeiten der einzelnen Plasmen des Limnaea-eies sind wir nicht orientiert. Dagegen ergeben sich aus Experimenten am Ei der Elefantenzahn-Schnecke Dentalium des Mittelmeeres einige Hinweise (Wilson). An diesem Ei treten frühzeitig ein animales und ein vegetatives Polplasma hervor (Abb. 10a). Wenn die Furchen einschneiden, so bleibt das vegetative Polplasma zunächst unberührt. Es wird während jeder Furchungsteilung als sog. Pollappen abgeschnürt (Abb. 10 b) und als ganzes nacheinander den Zellen CD, D, 1D zugeteilt (Abb. lOd, k),

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Ei und Furchung

JQK - J Abb. 10. Dentalium (Schnecke). Verteilung des vegetativen Polplasmas bei normaler Furchung und Entwicklungsergebnisse nach Entfernung des Pollappens in verschiedenen Stadien (nach W i l s o n 1904) a) Ei nach der Besamung mit animalem und vegetativem Polplasma, b) Bildung des ersten Pollappens (PZX) vor Beginn der ersten Furchung. c) Einschneiden der ersten Furche. Kleeblattstadium. d) Zweizellenstadium. e) Bildung des zweiten Pollappens (Pl2) für die nächste Furchungsteilung. f) Normale Trochophoralarve. g) Abtrennung des ersten Pollappens, h) Zweizeiler ohne Pol läppen. CD-Zelle ohne vegetatives Polplasma, i) Entwicklungsergebnis aus h): Posttrocheale .Region und Apicalorgan mit Wimperschopf fehlen, k) Abtrennung des zweiten Pollappens. 1) Entwicklungsergebnis aus k): Apicalorgan mit Winiperschopf vorhanden. Posttrocheale Region fehlt an.Ppl animales Polplasrna. PI Pollappen. p.Tr.R posttrocheale Region, Tr Trochus, Wimperkranz. Wi Wimperschopf. veg.Pp vegetatives Polplasma schließlich s p ä t e r gleichmäßig in 2 d , 3 d u n d 4 d ü b e r f ü h r t (vgl. I I , S . 7 f . u n d A b b . 1). So b i e t e t d a s E i eine M ö g l i c h k e i t , dieses P o l p l a s r n a in v e r s c h i e d e n e n F u r c h u n g s s t a d i e n a u s der Entwicklung auszuschalten. Wird der Pollappen mit feinem M e s s e r c h e n zu B e g i n n der F u r c h u n g a b g e t r e n n t ( A b b . 10g), so f e h l e n d e r e n t s t e h e n d e n L a r v e ( A b b . 1 0 i) i m G e g e n s a t z zur normalen (Abb. 10f) das Apicalorgan mit Wimperschopf (Wi), sowie die p o s t t r o c h e a l e R e g i o n ( p . T r . R ) m i t d e n O r g a n -

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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bildungen der Schalendrüse, des Mantels, der Mantelfalte und des Mundes. Sie enthält kein Mesoderm. Trennt man den Pollappen erst nach dem Zweizellenstadium ab (Abb. 10k), so wird das Apicalorgan nicht betroffen (Abb. 101). Im Zweizellenstadium muß vom Pollappenplasma her eine Reaktion eingeleitet sein, durch welche das für das Apicalorgan notwendige Bildungsagens am animalen Pol zur Wirkung kommen konnte: Die im Ei d u r c h b e s o n d e r e S t r u k t u r u n d Anordnung ausgezeichneten Plasmen besitzen E n t wicklungsfaktoren mit genau bestimmten F u n k t i o n e n f ü r den Ablauf der F o r m b i l d u n g . Der Pollappen vom Dentalium-ei, welcher als „ P l a s m a t i s c h e r F a k t o r e n b e r e i c h " Cytoplasmamaterial und Bildungsfaktoren für die posttrocheale Region enthält, v e r m a g g l e i c h z e i t i g F a k t o r e n f ü r f o r m b i l d e n d e W i r k u n g e n an a n d e r e K e i m bereiche abzugeben. Daß die Kräfteanordnungen, welche den Plasmen bestimmte Bewegungsrichtungen zuteilen, ebenfalls im Cytoplasma selbst lokalisiert sind, zeigt die Beobachtung eines kernlosen vegetativen Eifragmentes von Dentalium (Abb. 11). Jeweils zur

Abb. 11. Dentalium (Sühnecke). Autonome Bewegungserscheinungen von Pollappen aufeinanderfolgender Entwicklungsstadien in kernlosen Eifragmenten befruchteter Eier (nach W i l s o n 1904) a) Durchschneidung des befruchteten Eies. Eikern in der animalen Hälfte, bj, b 2 ) Zwillinge aus a). b a , d s , f 2 ) Rhythmische Abgliederung des Pollappens der kernlosen vegetativen Hälfte in den durch b i — f j angezeigten Furcliungsstadien 3

S e i d e l , Entwicklungsphysiologie der Tiere I

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Ei und Furchung

gleichen Zeit, zu der das animale kernhaltige Fragment in das Zwei- oder Vierzellenstadium eintritt, wird vom rein plasmatischen vegetativen Fragment rhythmisch ein Pollappen gebildet und wieder eingezogen. — Für das Seeigelei wurde bereits auf die Bedeutung der Rinde für die Aufrechterhaltung der normalen Entwicklung nach der Zentrifugierung hingewiesen. Auch beim E i von Limnaea gliedern sich die Plasmabestandteile aus der Schichtung wieder zurück und lassen einen normalen Embryo entstehen. In der normalen Entwicklung des kleinen Süßwasser-Ringelwurmes Tubifex sammeln sich aus der zuerst gleichmäßig mit Plasma und Dotter erfüllten Ovocyte Polplasmen dadurch am animalen und vegetativen Pol, daß die Rinde bei den amöboiden Bewegungen der Ovocyte während der Reifeteilungen dieses Plasma gewissermaßen aus der Mitte des Eies herauszieht. F . E . L e h m a n n konnte diese Vorstellung durch das Experiment erhärten. Das E i läßt sich mit bestimmter Orientierung zentrifugieren. Liegt dabei seine animal-vegetative Achse in der Schwererichtung, so wird das gesamte Polplasma an einem Pol gesammelt und bleibt dort angehäuft liegen. Wird aber das Ei quer zur Schwererichtung orientiert, und sammeln sich die Polplasmen durch die Zentrifugierung an seinem Äquator an, so kriechen nach Beendigung der Zentrifugierung die Polplasmen entlang der Rinde in die Polregionen zurück. Zwischen der Polrinde und dem Polplasma muß eine besondere Affinität bestehen. In Schnittpräparaten zeigen animale und vegetative Kalotte des Eies stärkere Wände als die Äquatorialzone: D e r P l a s m a r i n d e k o m m t g e g e n ü b e r dem E n t o p l a s m a d u r c h A f f i n i t ä t (II, S.54) b e s t i m m t e r Zonen zu b e s t i m m t e n P l a s m e n eine o r d n e n d e F ä h i g k e i t zu. Aber auch das Entoplasma kann selbständig an dem Vollzug von Bewegungserscheinungen beteiligt sein. Das E i der marinen Pantoffelschnecke Crepidula orientiert sich in der Zentrifuge nicht. Liegt der animale Pol zentrifugal und wird mit dem Grundcytoplasma die Richtungsspindel zentripetal nach der vegetativen Seite verlagert, so zeigt die gezackte Schichtgrenze an, daß das Grundcytoplasma mit feinsten Fasern noch das Ei durchzieht (Abb. 12 ab d). Tatsächlich ver-

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicytoplasmas

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Abb. 12. Crepidula (Schnecke). Reaktion des Grundcytoplasmas nach der Zentrifugierung von Eiern im Stadium der Reifeteilungen und der Vorkernbildung (nach C o n c l i n 1917) a) Verlagerung des Grundcytoplasmas zentripetal in Richtung des vegetativen Poles. Richtungsspindel, welche mit einem Pol an der Rinde verankert war, ausgezogen. Eindellung der Rindenschicht, b) Plasmaverlagerung im Stadium der 2. Richtungsspindel, welche noch nicht an den animaien Pol angeheftet war. c) KijckVerlagerung der 2. Richtungsspindel bei einem Ei, l 1 / 2 Std. nach der Zentrifugierung, an den animaien Pol. d) Plasmaverlagerung auf dem Vorkernstadium. Verstärktes Hervortreten des Grundcytoplasmanetzes zwischen animalem Pol und den in zentripetaler Richtung langgezogenen Kernen Do Dotter. Eik Eikern. Fz Fettzone. Gpl Grundcytoplasma. R.K Richtungskörper. It.Sp Richtungsspindel. Sp.K Spermakern. Pfeil: Zentrifugale Richtung

lagert sich schon wenige Stunden nach der Zentrifugierung die Richtungsspindel mit dem Plasma wieder zum animaien Pol zurück (c, Conclin). Das Grundcytoplasma des E n t o p l a s m a s , das den Zusammenhang mit der Rindenschicht der Eioberfläche nicht aufgibt, — wie auch die Richtungsspindel im Stadium der Metaphase zeitweise an die Rinde angeheftet wird, — muß die Fähigkeit besitzen, eigene Kontraktionsbewegungen zur Aufrechterhaltung der Anordnung von P l a s m a b e s t a n d t e i l e n im E i innern durchzuführen. Das Grundcytoplasmagerüst ist zur Zeit der Mitosen straffer angespannt als während der Interphasen, in denen es, nach der leichten Verlagerungsmöglichkeit der Plasmabestandteile zu urteilen, ziemlich lockere Form annimmt. Wie zu erwarten ist, richtet sich bei Besamung mit rassenfremdem Spermium die Furchungsordnung nach dem Eiplasma. Links- und rechtsgewundene Rassen der Schlammschnecke Limnaea unterscheiden sich auch durch laeotrop bzw. dexiotrop beginnende Spiralfurchung. Das besamende 3*

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Ei und Furchung

S p e r m a der l i n k s g e w u n d e n e n R a s s e h a t keinen E i n f l u ß auf die D r e h u n g s r i c h t u n g der S p i r a l f u r c h u n g , welche d e m E i d e r r e c h t s g e w u n d e n e n R a s s e eigen ist, u n d u m g e k e h r t . Eine ganz andere Frage ist es, ob diese dem Plasma eigene Richtungsorganisation auch allein durch das Plasma vererbt wird, d. h. ob f ü r ihr Auftreten im Eiplasma einer folgenden Generation auch lediglich konstant dort anwesende und nur durch Plasma weitergegebene Faktoren verantwortlich gemacht werden können. Nach den bisher vorliegenden Kreuzungsergebnissen muß man damit rechnen, daß über eine solche alternative Eigenschaft wie Rechtsu n d Linksdrehung der Spiralfurchung durch das Genom der Mutter entschieden wird. R e i n p l a s m a t i s c h e r ' E r b g a n g ist unter Tieren nur bei Insekten für folgende Merkmale bekannt geworden: Entwicklungsgeschwindigkeit, Raupenpigmentierung, unterschiedliche Stärke der weiblichen Tendenz bei der Geschlechtsbestimmung des Schwammspinners Lymantria (R. Golds c h m i d t ) ; die Pigmentierung bei der Schlupfwespe Habrobracon ( K ü h n ) . Wo solche konstant im Plasma weitergegebenen Faktoren lokalisiert sein könnten, ob sie einzelne Einheiten darstellen oder, ob sie sich im ganzen Gefüge des Plasmas manifestieren, ist unbekannt. Nach den Untersuchungen an P f l a n z e n ( M i c h a e 1 i s ) vollziehen sich Veränderungen bei diesen plasmatischen E r b f a k t o r e n nicht jeweils in Form einer sprunghaften Mutation, sondern mehr im Sinne einer allmählich wirksam werdenden und ebenso sich wieder abschwächenden und wieder abänderbaren Dauermodifikation. I m Ü b e r b l i c k auf die bisherige D a r s t e l l u n g lassen sich einige a l l g e m e i n e F e s t s t e l l u n g e n z u r A r c h i t e k t u r d e s Cytop l a s m a s u n d der p l a s m a t i s c h e n B i l d u n g s f a k t o r e n m a c h e n : I m E i c y t o p l a s m a ist n i c h t wie in den K e r n e n ein inneres G e r ü s t v o r h a n d e n , d a s f ü r alle T i e r g r u p p e n in m e h r oder weniger ä h n l i c h e r F o r m die E n t w i c k l u n g s f a k t o r e n t r ä g t , s o n d e r n n a c h allen R i c h t u n g e n des R a u m e s h i n n e h m e n die p l a s m a t i s c h e n Substanzen u n d Strukturen je nach der Tiergruppe, dem das E i z u g e h ö r t , a n d e r s a r t i g e G r u p p i e r u n g e n ein. Sie sind Ges t a l t u n g s b e w e g u n g e n zugänglich. Z w i s c h e n d e n B i l d u n g s f a k t o r e n u n d i h r e m S u b s t r a t b e s t e h e n im C y t o p l a s m a besondere, im E i k e r n n i c h t v o r h a n d e n e B e z i e h u n g e n : U n a b h ä n g i g v o n i h r e r W i r k u n g im e i n z e l n e n s i n d die C y t o -

Struktur und Bildungsfaktoren des Eicy toplasmas

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p l a s m a f a k t o r e n , wie besonders am Dentaliumei S. 31 ff. gezeigt wurde, i n B e r e i c h e n a n g e o r d n e t , w e l c h e g l e i c h zeitig räumlich ausgedehntes plastisches Bildungsm a t e r i a l d a r s t e l l e n . E s lassen sich „ P l a s m a t i s c h e F a k t o r e n b e r e i c h e " abgrenzen. Sie enthalten a b e r v i e l f a c h nicht nur Bildungsfaktoren f ü r den eigenen Bereich, sondern auch solche für andere Plasmabezirke. Zur Kennzeichnung solcher Plasmen ist die alte klassische Bezeichnung „Organbildender Keimbereich" zu eng, weil es sich wohl um Bildung von Formen, aber nicht unmittelbar von Organen handelt. Daher sind hier die Ausdrücke „Plasmatische Faktorenbereiche", „Plasmabereiche" oder auch einfach „ P l a s m e n " gewählt, wobei jeweils die Art der vorhandenen F a k t o r e n noch besonders genannt werden k a n n . O b w o h l die R i c h t u n g s o r g a n i s a t i o n im E i der des s p ä t e r e n E m b r y o v e r g l e i c h b a r ist, sind die F a k t o r e n b e r e i c h e des C y t o p l a s m a s n i c h t notwendig von v o r n h e r e i n in gleicher Weise a n g e o r d n e t wie die a u s i h n e n e n t s t e h e n d e n K ö r p e r t e i l e des s p ä t e r e n E m b r y o . Die Beziehungen zu diesen müssen in jedem Falle durch das Experiment geprüft werden. An größeren Teilsystemen lassen sich generell lediglich R i n d e u n d E n t o p l a s m a unterscheiden. Innerhalb dieser finden sich die P l a s m a b e r e i c h e , die sich durch ihre verschiedenartigste Zusammenordnung aus Einzelelementen auszeichnen. An ihrem allgemeinen A u f b a u sind die fibrilläre Phase des Grundcytoplasmas und die flüssige des Enchylemas verschieden stark beteiligt. D u r c h die mannigfaltigsten Einschlüsse des Enchylemas an granulierten Plasmakörpern (Mitochondrien, Mikrosomen, Diktyosomen) und an paraplasmatischen Dotter- und Reservesubstanzen sowie P r o d u k ten des Stoffwechsels erhalten die Plasmabezirke sehr unterschiedliches Aussehen und können den geforderten vielseitigen Funktionen genügen. Die gegeneinander abgesetzten Typen piasmalischer Architektur, die bei den Eiern der Tiergruppen möglich sind, wenig differenzierte und stark differenzierte (vgl. S. 21, 28), unterscheiden sich am auffälligsten im Entoplasma. Dieses ist beim

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Ei und Furchung

erstgenannten Typus durchweg homogen, beim zweiten dagegen mehr oder weniger deutlich aufgegliedert. Die mehrschichtige Rinde besitzt in jedem Eitypus eine ihm eigene regionale Struktur. Dem Aufbau dieser Rinde ist es bei undifferenziertem Entoplasma wesentlich zuzuschreiben, wenn bereits das ungefurchte Ei Anordnungen von Entwicklungsfaktoren trägt, durch welche die animal-vegetative, wie auch die Rechts-links-Richtung deutlich hervortritt (vgl. auch S. 106) Unter diesen Faktoren der Rinde sind ebenso wie unter denjenigen des Entoplasmas solche für die m a t e r i e l l e D i f f e r e n z i e r u n g und solche für die B e w e g u n g s t ä t i g k e i t vorhanden. Sie vermögen allerdings in den meisten Fällen ohne Beisein des Kernes nur nächstliegende Wirkungen zu entfalten. Diese Tatsache ist nicht so selbstverständlich wie die andere, daß Faktoren des Kernes stets der Architektur des Plasmas als Grundlage der Gestaltbildung bedürfen. Durch das Formänderungsvermögen der Rinde, die Spannungs- und Kontraktionsbefähigung der fibrillären Elemente des Entoplasmas, kombiniert mit einer Affinität bestimmter Rindenregionen zu bestimmten Entoplasmateilen, kommen Bewegungen der Plasmaregionen zustande, bei denen die Rinde jedesmal dann führend erscheint, wenn sie, wie in den meisten Fällen, fester strukturiert ist als das Entoplasma und mehr als dieses allen Verlagerungsversuchen widersteht. — Wie weit für Zustandsänderungen im Plasma, durch welche die Teilungsebenen während der Furchung ausgerichtet werden, Rinde und Entoplasma entscheidend sind, wird im Einzelfall zu bestimmen sein. Werden die Wände der Blastomeren nur durch Teilschichten der Rinde hergestellt, wie b e i m w e n i g d i f f e r e n z i e r t e n S e e i g e l e i , so bleibt die u r s p r ü n g l i c h e A r c h i t e k t u r des C y t o p l a s m a s w e i t g e h e n d bis zur Blastula erhalten. Im Gegensatz dazu veränd e r t sich die P l a s m a a r c h i t e k t u r b e r e i t s w ä h r e n d d e r F u r c h u n g , wenn an der Bildung der Furchungswände die gesamte Rinde einschließlich des subkortikalen Plasmas unter größeren Bewegungserscheinungen beteiligt ist, wie dies für das s t a r k d i f f e r e n z i e r t e Limnaea-ei beschrieben wurde. In diesem Falle setzen an den Plasmabezirken schon vor und

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

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während der Furchung, bevor deren Aufteilung in Zollen vollendet ist, die Umlagerungen ein, welche zur endgültigen Anordnung der Anlagen für die Ausbildung der Körperformen nötig sind. c) Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei und während der Furchung Ähnlich wie im Dentalium-ei finden sich im Insektenei bestimmte ausgezeichnete Plasmabereiche, auch wenn sie hier morphologisch nicht immer so gut abgrenzbar sind. So ließ sich im Ei der Libelle Platycnemis nahe dem hinteren Pol ein Plasmabereich von etwa Yio Eilänge auffinden, mit dessen Abschnürung oder Abtötung durch den Thermokauter (Abb. 13 e, g, h) die Bildung der gesamten Keimanlage verhindert werden konnte (Seidel, vgl. II, S. 21, Bildungszentrum). Eine leichte Einschnürung kann man am Ei so anbringen, daß die Wirkung des hinteren Polplasmas zum vorderen Eiraum hin sich ungehindert entfaltet (Abb. 13 i, k). Während dieser Zeit breiten sich die Furchungskerne, von nur wenig, für die superfiziellen Furchungsteilungen physiologisch notwendigem Hofplasma umgeben, über den Eiraum aus (Abb. 13 a, b). In diesem Entwicklungsstadium war es möglich, zu prüfen, ob eine Beeinflussung der Entwicklungsweise des Eicytoplasmas durch Reaktionen mit den Furchungskernen eintritt. Legt man die Schnur so an, daß keiner der Furchungskerne durch den Knoten hindurchschlüpfen und den entscheidenden Plasmabereich des Zentrums erreichen kann (Abb. 131), so entwickelt sich auch keine Keimanlage (Abb. 13m): Z u r A k t i v i e r u n g d e r K e i m a n l a g e n e n t w i c k l u n g i s t in d i e s e m E i eine R e a k t i o n z w i s c h e n einem b e s t i m m t e n p l a s m a t i s c h e n F a k t o r e n b e r e i c h und einem F u r c h u n g s k e r n nötig. Bei dieser Reaktion ist es gleichgültig, welcher der Furchungskerne sie vollzieht. Normalerweise bevölkert während der superfiziellen Furchungsteilungen von den beiden ersten Kernen der hintere die hintere Eihälfte, der vordere die vordere (Abb. 13a, b). Tötet man nun durch Bestrahlung mit

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\J o. Abb. 13. Platycnemis (Libelle). Normale Entwicklung der Keimanlage, (a-—d) Nachweis der Wirkung des hinteren Polplasmas als Bildungszentrum (e-^h), der Notwendigkeit der Kernversorgung des Bildungszentrums (i-—m) und der Isopotenz der Furchungskerne (n—o). (Nach S e i d e l 1929—1932) a) Vierkernstadium, b) 256-Kernstadium c) Keimanlage, d) Beginn der Einrollung der Keimanlage und der Botterfurchung. e) Operationsstadium für f — h mit Abgrenzung des Bildungszentrums, f ) Bildung der Keimanlage trotz Abtötung eines kleinen Bereiches am hinteren Eipol mit dem Thermokauter. g) Ausbleiben der Zusammenscharung der Kerne zur Keimanlage nach Ausschaltung eines größeren Bereiches am hinteren Eipol. h) Späteres Stadium nach dem gleichen Versuch. Ergebnis: Keine Keimanlage, nur Botterfurchung. i ) Leichte Einschnürung des Eies ohne Verhinderung der normalen Verteilung der Furchungskerne. k) Ergebnis aus i): Bildung der Keimanlage. 1) Abschirmung des Bildungszentrums gegen die Furchungskerne durch engeren, jedoch nicht ganz zugezogenen Schnürknoten, m) Entwicklungsergebnis aus 1): Keine Keimanlage, nur Botterfurchung. n) Abtötung des hinteren von den ersten beiden Furchungskernen. o) Ausbreitung der Nachkommen des vorderen Va-Furchungskernes in Richtung des Pfeiles über das ganze Ei A Abgetöteter Bereich. Bi Bildungszentrum. Do.F Botterfurchung. Fk Furchungskeru. Ko Kopflappen. K.A Keimanlage. V .V Strahlenstichbereich.

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

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ultraviolettem Licht den hinteren der beiden Kerne (Abb. 13 n, o), so läuft die Entwicklung zur Keimanlage genau so gut ab, wie wenn der hintere Kern vorhanden gewesen wäre: Gegenü b e r der m e h r oder weniger d i f f e r e n z i e r t e n P l a s m a a n o r d n u n g der E i e r sind die F u r c h u n g s k e r n e anf a n g s „ i s o p o t e n t " , d. h. gleichartig wirkungsbefähigt. — Isopotent sind die Furchungskerne auch beim Seeigelei, bei dem dies dadurch nachgewiesen wurde, daß die Blastomeren sich nach Pressung des Eies umordneten und doch eine gut geformte Larve zur Entwicklung brachten (Driesch). Gleiches gilt für das Amphibienei (0. Hertwig). Überdies hatten Versuche zur Verzögerung der Kernversorgung einer Eihälfte ein weiterführendes Ergebnis. Danach unterliegt die Bereitschaft zu Reaktionen mit den Kernen bestimmten Zeitbeschränkungen. Im Molchei ist ein der späteren Dorsalseite angehörender Plasmabereich gegenüber den übrigen Eiteilen besonders ausgezeichnet ( S p e m a n n , vgl. II, S. 61, Organisationszentrum. Schraffierter Bereich in Abb. 28 I, II). Schnürt man das Ei kurz nach der Besamung mit einem Kinderhaar mitten durch (Abb. 14 b), und legt dabei die Schnur median, was allerdings erst an der Lage der oberen Urmundlippe im Gastrulastadium zu erkennen ist (Abb. 14f, II, Abb. 15, o. Ul), so wird beiden Hälften dorsales Plasma zugeteilt, und es können sich Zwillinge entwickeln (Abb. 14 d). Bei frontaler Lage der Schnur erhält nur eine Hälfte dorsales Plasma (Abb. 14 g, links) und nur in dieser bildet sich ein ganzer Embryo (Abb. 14 e). Die andere Hälfte kann es nur zu einem Bauchstück bringen, einem Körperteil, der lediglich Gewebe aus den drei Keimblättern besitzt, aber kein Achsensystem (Abb. 14e, rechts). Da zu Beginn des Versuchs nur eine Hälfte, z. B. die rechte der Abb. 14 b, den Eikern enthält, und die Furchungskerne sich in dieser zuerst verteilen, so hat man es in der Hand, wann man auch auf die andere Seite einen Furchungskern hinüberschicken will. Je mehr der Schnurknoten angezogen ist, umso später wird dies geschehen, da dann die Polstrahlen allmählich kleiner werden. Man kann der anderen Hälfte schon nach zwei Teilungen 1 j i Eikern oder erst nach 5 Teilungen 1 j 32 zuteilen. Die isopotenten Furchungs-

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Ei und Furchung

Abb. 14. T r i i o « (Molch). Prüfung der Fähigkeiten verschiedener Eibereiche mit normaler und verzögerter Kernversorgung (nach S p e m a n n 1901—1928, i nach F a n k h a u s e r 1930)

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

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kerne vertreten sich bei der Reaktion mit dem dorsalen Plasma gegenseitig. Die Tatsache aber, daß Ys Eikern genügt, um aus der eikernlosen Eihälfte einen ganzen Embryo zu erhalten, andererseits aber trotz Anwesenheit von '/ 8 Eikern aus der eikernhaltigen Hälfte nur ein Bauchstiick wird, zeigt noch einmal die entscheidende Bedeutung der plasmatischen Architektur für die Formbildung. Nun aber vermag sich mit einem Yga-Kern wohl eine ventrale Eihälfte zu entwickeln, aber niemals eine dorsale. Diese verliert die Fähigkeit zur Ausbildung eines ganzen Embryo, wenn ihr nicht rechtzeitig ein Kern zugeführt wird: D i e in f o r t s c h r e i t e n der E n t w i c k l u n g b e f i n d l i c h e n p l a s m a t i s c h e n F a k t o r e n b e r e i c h e m ü s s e n zu b e s t i m m t b e g r e n z t e r Z e i t in R e a k t i o n e n m i t d e n F u r c h u n g s k e r n e n e i n t r e t e n . S t r u k t u r ä n d e r u n g e n der F a k t o r e n b e r e i c h e b e g r e n zen deren R e a k t i o n s b e r e i t s c h a f t g e g e n ü b e r den F u r c h u n g s k e r n e n . Im Bildungssystem des Eies erscheinen die K e r n e infolge ihrer Fähigkeit zu identischer Reproduktion überdauernd reaktionsbereit. Ohne Kern sind die formbildenden Leistungen des Plasmas stets begrenzt. Dies zeigen besonders gut Keime oder Keimteile, die zur Furchung ohne Kern angeregt werden konnten. Daß das Plasma über eine Bewegungsfähigkeit verfügt, war bereits am Beispiel des Pollappens von Dentalium (S. 33, Abb. 11) geschildert worden. Bringt man die rote Eihälfte des a) Ei innerhalb der Gallerthülle, b) Einschnürung kurz nach der B e s a m u n g ; im Stadium der Gastrula als median zu erkennen (f). c) Ergebnis aus b); linke H ä l f t e haploid, rechte diploid. d) Späteres Ergebnis aus b); zwei ganze Embryonen, der haploide Embryo links im Stadium noch nicht ganz geschlossener Medullarwülste, der diploide rechts mit Anlage v o n Kopf und Schwanz, e) Ergebnis aus ähnlichem Versuch, bei dem die Lage der Schnur im Gastrulastadium als frontal erkannt w a r ( g ) : Links ein ganzer Embryo mit Urwirbeln, Augenblasen und Kiemenwülsten, rechts ein B a u c h s t ü c k . f ) Schema für eine Gastrula mit medianer Lage der Schnur. Obere Urrnundlippe, aus dem dorsalen Plasmabereicli hervorgegangen, wird beiden Partnern zugeteilt, g) Desgl. für frontale Lage der Schnur. Nur der linke Partner erhält dorsales Plasma, h) Verzögerte Kernversorgung. Befruchteter Eikern durch die Schnur auf die rechte Seite gedrängt. Erste Furchung der kernhaltigen Eihälfte beendet, i) Schnittbild eines gleichen Versuches. Der Kern a n der Plasmabrücke wird bei seiner n ä c h s t e n Teilung einen Tochterkern in die

Au Auge.

kernlose E i h ä l f t e hinübersenden. Eik Eikern. R.K Richtungskörper, Sp Spermien,,einschlag',

Ei und Furchung

44

a.

b.

c.

d.

e.

A b b . 15. Arbacia (Seeigel). F u r c h u n g v o n k e r n l o s e n D o t t e r v i e r t e l n ( A b b . 4 e 3 ) n a c h k u r z e r B e h a n d l u n g m i t h y p e r t o n i s c h e m Seewasser ( n a c h E . B. H a r v e y 1930) a) M o n a s t e r b i l d u n g , zwei S t u n d e n n a c h R ü c k b r i n g u n g in n o r m a l e s Seewasser. b) B i l d u n g eines A m p h i a s t e r s . c), d) E r s t e F u r c h u n g s t e i l u n g . e ) . Sterroblastula nach 3 Tagen

Arbacia-Eies in hypertonisches Seewasser (vgl. S. 21, Abb. 4c2), so entstehen im Eiplasma Polstrahlungen (Cytaster, Abb. 15a). Obwohl die Chromosomen und mit ihnen die Kernspindeln fehlen, teilen sich die Polstrahlen, weichen auseinander und geben den Anlaß für eine Furchung des Plasmas, ähnlich wie es auch vom Insekten- und Amphibienei beschrieben ist. Unter der Oberflächenschicht von kleineren Zellen wird das Innere der Blastula wie bei einer Sterroblastula durch große Blastomeren ausgefüllt (e). Ein Blastocoel wird nicht gebildet, und die Entwicklung überschreitet das Blastulastadium nicht, obwohl z.B. die Atmungsintensität der kernlosen Eihälften größer ist als die der kernhaltigen ( S h a p i r o und H a r v e y ) . D a s P l a s m a b e s i t z t e i g e n e n S t o f f w e c h sel wie d i e F ä h i g k e i t z u r D u r c h f ü h r u n g v o n B e w e g u n g e n und vermag lange selbständig am Leben zu bleiben. Zum W a c h s t u m und zur Differenzierung aber bed a r f es d e r R e a k t i o n e n m i t d e n K e r n e n . Über die Art dieser Reaktionen lassen sich aus den Untersuchungen über die Eiweißsynthese in der Zelle Hinweise gewinnen. Bei dieser spielen in einer noch nicht ganz zu durchschauenden Weise die Nucleinsäuren eine wesentliche Rolle. Die Thymonucleinsäure bleibt auf das Euchromatin der Chromosomen beschränkt (Abb. l a 2 , Eu, DN), während sich Ribonucleinsäure vorwiegend im Cytoplasma befindet. Insbesondere ist die Ribonucleinsäure im klaren Grundplasma angesammelt, wie sich im Ultraviolettspektrum des „weißen" Ei-

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

45

vierteis vom Seeigelei deutlich nachweisen läßt (S. 22, Abb.4 e j . Allgemein besteht in der Zelle eine strenge Beziehung zwischen ihrem Gehalt an Ribonucleinsäure im Plasma und ihrer Fähigkeit, Eiweiße synthetisieren zu können. Jedesmal wenn diese Synthese aktiv ist, zeigt sich der Gehalt an dieser Säure sowohl im Plasma erhöht, wie auch im Nucleolus der Kerne, welcher jeweils an das Heterochromatin gebunden ist (Abb. l,Het, NB). Die Eiweißsynthesen nehmen nach Caspersson und Schulz während der Zellteilung folgenden Weg: Zu Beginn jeder Mitose vermehrt sich im Euchromatin die Thymonucleinsäure der Chromomeren (Abb. la—d, Eu). Am Ende der Mitose läßt das Euchromatin in den Interchromomeren höhere Eiweiße vom Typ der Globuline entstehen. Die Chromomeren werden dadurch in die Ruhekernlage auseinandergerückt (e—g). — Aus demHeterochromatin, welches auch Ribonucleinsäure enthält, bildet sich der Nucleolus (f, g, N). Er füllt sich im wesentlichen mit Histonen, an basischen Aminosäuren reichen Proteinen (ajHi). Diese treten dann aus ihm heraus und diffundieren durch die Kernmembran ins Cytoplasma (g2, a3). So verkleinert sich der Nucleolus (a3, c2) und verschwindet bis zum Beginn der neuen Mitos. Aber auch das Cytoplasma wird frei von Nucleinsäure. Vielleicht vollzieht sich hier unter Mithilfe von bestimmten aufbaufähigen Granula, den Mikrosomen, welche nach B r ä c h e t Proteasen, Oxydationsfermente und Ribonucleoproteide enthalten, die Synthese der Proteine desCytoplasmas.— In den Interchromomeren reduziert sich der Gehalt an Protein (E), so daß die Chromomeren wieder nahe aneinanderschließen. Ihr Thymonucleinsäuregehalt vermehrt sich. Die Zelle tritt in die nächste Mitose ein und ist für neue Eiweißsynthese bereit, sowohl für die des Euchromatins während der Anaphase, wie für die des Heterochromatins, die sich n a c h der Kernmitose bis ins Cytoplasma fortsetzt. An diesem Bild mag vieles noch hypothetisch sein, aber es macht die enge Beziehung zwischen den Nucleinsäuren, die in den Chromosomen lokalisiert sind, den Nucleolen und dem Cytoplasma deutlich: Die E i w e i ß s y n t h e s e im C y t o p l a s m a b e r u h t auf der T ä t i g k e i t des K e r n c h r o m a t i n s , i n s b e s o n dere des H e t e r o c h r o m a t i n s .

Ei und Fur&hung

46

a

b.

r.

A b b 10. Limnaea

( S c h n e c k e ) . Aktivität, des O v o c y t e n k e r n e s w ä h r e n d d e r Ovogenese ( n a c h R a v e n 1949) a) A b s o n d e r u n g v o n Y a c u o l e n , Ii) v o n G r a n u l a , c) v o n K o l l o i d e n in d a s umgebende Cytoplasma N Nucleolus

In wachsenden, ihren Plasmakörper sehr stark vergrößernden Ovocyten sind die Nucleolen besonders umfangreich. Heterochromatin und Interchromomeren dehnen sich sehr aus, was man 'an der weiten Auflockerung der Chromomeren in der Interphase erkennen kann. Die wechselnden Formen des Kernes geben über den Austausch von Substanzen aus dem Kern zum Plasma Aufschluß. Tropfen, Vakuolen werden abgesondert und ganze Nucleolen ergießen sich ins Cytoplasma (Abb. 16). In der Spermiogenese und in den Eiern während der Furchung sind diese Erscheinungen nicht so ausgeprägt. In letzterem Falle mögen auch bei den Kern-Plasma-Reaktionen außer dem Eiweißaufbau noch weitere spezifische Vorgänge ablaufen. Aber z. B. beim Vergleich von DrosophilaEiern mit männlichem (X Y) und weiblichem Chromosomensatz (XX Y, Ausnahmeweibchen) kann man feststellen, daß dem zusätzlichen X-Chromosom beim Weibchen auch ein größerer Gehalt des Plasmas an Ribonucleinsäure entspricht. Werden dann mit der Vermehrung der Ribonucleinsäure die Möglichkeiten für die Eiweißsynthese im Plasma verbessert, so ist verständlich, daß die Größenverhältnisse der ganzen Zelle eng mit der Anzahl der Chromosomen des Kernes zusammenhängen. Schon lange, bevor man sich irgend ein Bild über die möglichen Ursachen solcher Zusammenhänge machen konnte, hatte R. H e r t w i g erkannt, daß quantitative Beziehungen

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

47

Abb. 17. Paracentrotus (Seeigel). Verhältnis von Kerngrößen, Zellgrößen und Zellanzahlen bei tetraploiden, diploiden und haploiden Gastrulae aus Eiern normaler Größe und verschieden großen Eifragmenten (nach B o v e r i 1905) a) Monastergastrula (tetraploid) von den gleichen Eltern wie in b) Normale diploide Gastrula. a,), bj) Gastrulaoberfläche mit ihren Kernen, vom animalen Pol gesehen. a 2 ),b 2 ) Einzelne Ectodermkerne. a 3 ), b3) Optischer Durchschnitt der lebenden Gastrulae, vom animalen Pol gesehen, c) Gastrulae aus Fragmenten eines diploiden Eies von den gleichen Eltern wie d) Gastrulae aus haploiden (andromerogonischen) Eifragmenten, sämtlich vom animalen Pol gesehen, c,), d x ) Gastrulae aus größeren Eifragmenten. c 2 ),d a ) Einzelne Ectodermkerne der Larven: c 3 ), d3) Gastrulae aus kleineren Eifragmenten D Darm. Mes Mesenchymzellen, Skelettbildner.

vom Kern zum Cytoplasma bestehen und sie als KernPlasma-Relation bezeichnet. Nach B o v e r i ist die Kernoberfläche der Anzahl der vorhandenen Chromosomen proportional (Abb. 17 a 2 —d 2 ). Seinen Experimenten verdanken wir anschauliche Kenntnis darüber, daß chromosomenreichere, also größere Kerne auch größere Plasmaareale um sich versammeln. Schüttelt man Seeigeleier nach Besamung kurz, so unterbleibt vielfach die Teilung des Centrosoms. Man findet zu der Zeit, in der andere Eier eine Furchungsmitose mit zweipoliger Strahlung, einen Amphiaster, aufweisen, eine einzige große

48

Ei und Furchung

zentralgelegene Strahlung, den Monaster, vor. Die Chromosomen teilen sich, wandern aber nicht in Tochterzellen ab, so daß das Ei mit der tetraploiden Anzahl 2 x 2n = 72 Chromosomen in die Interphase zurückkehrt und nun mit diesen vergrößerten Kernen die Furchung beginnt. Trotz anormaler Teilungen entsteht ein Pluteus. Wie Abb. 17 a, b von der animalen Seite verschiedener Gastrulen des Seeigels Paracentrotus zeigt, befinden sich bei verdoppelter Chromosomenzahl und entsprechend vergrößerten Kernen und Zellen auf vergleichbaren Räumen nur etwa halb so viel Zellen wie in Keimen mit normaler diploider Chromosomenzahl. Entsprechendes geht aus einem Vergleich von diploiden Eifragmenten mit haploiden hervor (Abb. 17 Cj, d^. Besamt man kernlose Fragmente, die man ebenfalls durch Schütteln der Eier herstellt, so entwickeln sie sich mit n = 18 Chromosomen. Sie werden als Merogone, und zwar, wenn sie wie hier sich mit dem männlichen Chromosomensatz entwickeln, als Andromerogone bezeichnet. — Wie alle diese Seeigelkeime mit abgeänderten Chromosomensätzen zeigen, ist bei ihnen die Anzahl der Zellen eines Keimes nicht von vornherein bestimmt. Sie variiert mit der Zellgröße. Die Keime entwickeln soviel Zellen, wie entsprechend ihrer Größe jeweils im vorhandenen Eiraum Platz finden. Eine tetraploide Gastrula bildet z. B. 23 Mesenchymzellen, während eine normale diploide 43 besitzt (a 3 , b 3 ): D i e Z e l l g r ö ß e i s t beim Seeigelkeim d u r c h d i e K e r n p l a s m a r e l a t i o n b e s t i m m t . Ändert man bei festliegender Chromosomenzahl artgleicher Eier das Protoplasmaareal, z. B. durch Herstellung verschieden großer Eifragmente (c^ c 3 bzw. d l5 d 3 ), so entstehen in ihnen verschiedene Anzahlen von Zellen: D i e Z e l l a n z a h l e n t s p r i c h t d e r A u s g a n g s g r ö ß e des P r o t o p l a s m a s . Die Entwicklung des Seeigeleies beginnt wohl mit bestimmter Furchungsordnung, aber bei diesem Ei, das zum Typus der Eier mit wenig differenzierter Plasmaarchitektur gehört, sind die Ausbildung der Blastula und die weitere Differenzierung nikht an eine vorherige Herstellung eines bestimmten Zellmosai es gebunden. Ähnliche Verhältnisse ergeben sich bei vielen Eiern der Gliederfüßler (z. B. Insekten) und Wirbel-

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

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tiere, obwohl sie von vornherein eine mehr differenzierte Plasmaanordnung besitzen. Um die Anzahl der Chromosomensätze im Ei zu erhöhen, hat man bei diesen Tieren meistens Mittel angewandt, welche eine der Keifeteilungen hemmen: Zentrifugierung, Temperaturschocks oder Mitosegifte wie das Colchicin. Molcheier konnten, nach Temperaturschocks von 0 ' — 3 ' C. bzw. 35—37 J C. für einige Stunden unmittelbar nach der Besamung in 70—80% der Fälle triploide Individuen hervorbringen ( F a n k h a u s e r ) . Zusätzlich entstanden dabei, wohl durch gleichzeitige Hemmung der ersten Furchungsteilung, einige Tetraploide und Pentaploide. — Erniedrigen ließ sich die Chromosomenzahl durch Ausschaltung entweder der Ei- oder der Spermienchromosomen aus der Entwicklung. Schnürt man im S p e m a n n s c h e n Versuch Abb. 14b das Ei nach der Besamung ganz durch, so entwickelt sich die eikernlose Hälfte als Merogon, da Molcheier ihrer Natur nach polysperm sind. An den „Einschlägen" auf der Eioberfläche erkennt man, wo die Spermien Eingang in das Ei gefunden haben, von denen eines den haploiden Kern für das Schnürungsfragment liefert. Meist wird diese Methode jetzt durch eine operative ersetzt. Der zur Reifeteilung nahe der Eioberfläche befindliche Eikern wird mit feiner Pipette abgesaugt und dann das kernlose Ei besamt ( C u r r y ) . Man nennt diese Entwicklungsform, bei der wie bei Radiumbestrahlung (G. H e r t w i g ) das Ei ganz erhalten bleibt und lediglich der Eikern ausgeschaltet wird, Androgenese. — Umgekehrt kann man durch Bestrahlung oder durch chemische Beeinflussung mittels Trypaflavin oder Natriumfluorid die Spermiumchromosomen inaktivieren. Das Spermatozoon selbst behält seine Beweglichkeit und bleibt zum Eindringen in das Ei tauglich (Gvnogenese). Die Entscheidung, ob eine solche Gvnogenese oder aber eine Androgenese vorliegt, ist schwer zu treffen, wenn lediglich durch Kältebzw. Hitzereize oder erhöhten osmotischen Druck verhindert wird, daß sich Ei und Samenkern vereinigen. Einer von beiden Kernen scheidet aus, und das Ei entwickelt sich haploid. — Die Methode der künstlichen Parthenogenese, durch die ebenfalls haploide Keime entstehen, wird S. 82 f. besprochen. Will man die Konstitution geschlüpfter Molchlarven lebend untersuchen, so kann man ihnen kleine Stückchen am Schwanz, die wieder regenerieren, abschneiden. Da die Zellgrenzen bei Tieren sehr schwer ?u bestimmen sind, lassen sich nur wenige gut umgrenzte Zellarten, wie etwa die Leydigschen Drüsen4

S e i d e l , Entwicklungsphysiologie der Tiere I

50

Ei und Furchung

zellen der H a u t oder Blutzellen, benutzen, um unmittelbar Kern- und Zellgrößenun^erschiede vorzuweisen. Die Zeichnungen von Einzelzellen haploider bis pentaploider Molche (Abb. 18 a—e) ergänzen die am Seeigelei gewonnenen Ergebnisse eindrucksvoll auch für Wirbeltiere. In allen Beispielen vom Typus der E i e r m i t w e n i g d i f f e r e n z i e r t e r P l a s m a a r c h i t e k t u r ist die A n o r d n u n g d e r F u r c h u n g s z e l l e n f ü r die Weiterentwicklung aus der Blastula n i c h t e n t s c h e i d e n d . Die A n z a h l der Zellen f ü r einen z,ur Verfügung stehenden Plasmabezirk ist ceteris' paribus lediglich d u r c h d i e C h r o m a t i n m e n g e d e s E i k e r n s b e s t i m m t . Eine anfängliche Furchungsspezifität wie im Seeigelei wird durch den Einfluß des Kernes überdeckt. Daß sie für die Weiterentwicklung nicht entscheidend ist, geht aus Fällen hervor, in denen die Mikromerenbildung ganz oder zum Teil unterdrückt wurde. Aus solchen Keimen entstehen dennoch ganze Pluteuslarven. Eingelagerte Reserve- und Aufbausubstanzen vermögen den Umfang insbesondere von vegetativen Blastomeren zu vergrößern, ohne daß dadurch das ursprüngliche Verhältnis K e r n : Plasma betroffen zu sein braucht. Das absolute Größenverhältnis zwischen Chromosomenzahl und Protoplasmavolumen sowie das Maß der Änderung dieser Relation bei quantitativer Vermehrung der Chromosomenzahl ist für verschiedene Arten, sowie für Zellen verschiedener Organe eines Individuums verschieden und muß jeweils experimentell bestimmt und mathematisch formuliert werden. Die Gesetzmäßigkeiten gelten auch f ü r spätere Stadien, f ü r die hauptsächlich von den Amphibien Erfahrungen vorliegen. Ein Embryo oder eine Larve aus einem halben Keim, sei es ein Pluteus aus der weißen Eihälfte des Seeigeleies (Abb. 4cj) oder eine Molchlarve aus einem halben Triton-ei (Abb. 14 d), entsprechen nach Abschluß der Embryonalentwicklung in ihrer Größe der Ausgangsgröße ihres Eifragmentes. Nach kurzer Zeit, spätestens bis zum Beginn der Metamorphose, wachsen die Versuchstiere jedoch bei guter Fütterung zu normal großen Larven heran. Bei Säugetieren geschieht dieses, wie Fragmentierungsversuche an Furchungsstadien von Kaninchen zeigen ( S e i d e l ) , bereits vor der Geburt durch

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

51

die uterine Ernährung. Die arteigene Größe des Tieres wird unter Aufrechterhaltung der normalen Kernplasmarelation durch Z e l l v e r m e h r u n g erreicht. Mit besonderen Schwierigkeiten haben Larven aus haploiden Keimen zu kämpfen. Sie bleiben immer kleiner als normale und entwickeln sich langsamer (vgl. Abb. 6b, c und 14b, d), obwohl die Zellen selbst entsprechend der Kernplasmarelation im Gleichgewicht sind. An den Melanoplioren der Larve auf Abb. 18a t läßt sich die vermehrte Zellenzahl im Vergleich zu den größeren der diploiden Larve (b^ erkennen. Die Kompensierung der Körpergröße durch Zellvermehrung bleibt ungenügend (a : ). Die Vitalität ist herabgesetzt. Triploide (c^ bis pentaploide Tiere halten sich in

A b b . 18. Triturus (Molch). Vergleich (1er L a r v e n f o r m e n sowie (1er K e r n - u n d Zellgrößen bei der E n t w i c k l u n g a u s E i e r n m i t v e r s c h i e d e n e r A n z a h l v o n C h r o m o s o m e n s ä t z e n ( n a c h F a n k h a u s e r 1945) a — e ) L e y d i g s c h e Drüsenzelleu a u s der H a u t v o n h a p l o i d e n bis p e n t a p l o i d e n Larven, a , ) Spontan entstandene haploide Larve, Wochen alt. Schwänzende ergänzt, da zur Schwanzzellenprobe abgeschnitten. Entwicklungss t a d i u m F 12 ( f l a c h e K n o s p e des d r i t t e n F i n g e r s v o m V o r d e r b e i n ) . T r o t z des h ö h e r e n Alters kleiner als bj) N o r m a l e diploide u n d e j d u r c h T e m p e r a t u r s c h o c k e r h a l t e n e t r i p l o i d e L a r v e . Beide u n m i t t e l b a r n a c h der E n t f e r n u n g a u s d e r G a l l e f t h ü l l e . E n t w i c k l u n g s s t a d i u m F 8 (erste E i n k e r b u n g der V o r d e r e x t r e m i t ä t ) . Die Größe der P i g m e n t z e l l e n a m Kopf l ä ß t h a p l o i d e bis t r i p l o i d e Larven gut voneinander unterscheiden

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Ei und Furchung

Zeilen (vgl. die Melanophoren Abb. 18c! b,). Hier setzt sieh — mit gewissen Variationen im einzelnen — die Artgröße durch. Die Organe behalten ihre herkömmliche Form. Denn die Zellverbände selbst unterliegen Formänderungen. Z. B. führt ein Vornierenkanälchen in seiner Wand, welche bei diploiden Larven 3—6 Zellen stark ist, nur noch zwei sehr abgeflachte Zellagen. Pentaploide wachsen sehr langsam und sind, ebenso wie Tetraploide, weniger lebenskräftig. Qualitativ zeigen haploide häufig Veränderungen der Körperproportion (Abb. l S a J , verkürzte Kiemen, Fehlentwicklungen im Nervensystem, vor allem im Gehirn und in den Augen. Pentaploide neigen mit fortschreitender Entwicklung zu Verkrümmungen der Körperachse und spitzer Kopfform. So muß die mittlere Zellgröße als die für die Entwicklung günstigste angesehen werden. Die Fehlentwicklung bei Haploiden mag am Ausfall eines Chromosomensatzes liegen, wodurch ja das normale Gefüge gestört ist. Bei vermehrten Chromosomensätzen könnten einige Chromosomen oder Gene, so vielfach addiert, ein Zuviel, andere ein Zuwenig an Wirkung entfalten. Das veränderte Protoplasmavolumen mag einmal der Reaktionsbefähigung wichtiger Gene mehr, ein andermal weniger angepaßt sein. Schließlich mögen bestimmte Entwicklungsvorgänge an bestimmte Zellgrößen gebunden sein. Leider fehlen für Eier vom Typus stark differenzierter Plasmaarchitektur genau vergleichbare Ergebnisse. Aber es lassen sich aus einigen vorliegenden Experimenten bestimmte Hinweise auf das Verhalten von Kern und Plasma bei diesen Eiern gewinnen. Daß überhaupt im Kern Reaktionen durch Besonderheiten des Cytoplasmas hervorgerufen werden, geht sehr klar aus Versuchen über abgeänderte Mosaikfurchung im Ei des Pferdespulwurms Ascaris hervor. Normalerweise liegt bei diesem Ei die erste Furche äquatorial (Abb. 19 a), Die zweite Furche schneidet in beiden Blastomeren mit verschiedener Richtung ein, so daß ein T-Stadium (Abb. 19 b) entsteht. Der Querbalken wird zur dorsalen Seite des Embryo. Die Endzelle des Längsbalkens wendet sich im Sinne des Pfeiles nach hinten, so daß sich nunmehr die Medianebene des späteren Embryo als parallel zur Zeichenebene liegend zu erkennen gibt (Abb. 19 c). Die Mosaikfurchung ist bei diesem Keim besonders stark ausgeprägt. Schon an diesen ersten Blastomeren kann bereits ihre spätere Aufgabe im Entwicklungsgeschehen abgelesen werden ( B o v e r i ) : Die P-Zelle erweist sich als Stammzelle für alle

Reaktionen zwischen K e r n und Cytoplasma i m Ei Typus

Typus I

Typus I

I

53

A b b 19. Ascaris (Pferdespulwurm). Normale Furchung mit Chromatindiminution. ( a — c var. univalens, 2n = 2 Chromosomen) und Entwicklungstypen nach Doppelbefruchtung des Eies, ( d — i var. bivalens, 2n = i Chromosomen und k— m var. univalens) (nach B o v e r i 1910, verändert) a ) Zweizellenstadium. Chromatindiminution in AB. b)VierZellen,r-Stadium. Der P f e i l gibt die Schwenkungsrichtung für die Zelle P , an. c) N a c h vollzogener Schwenkung. Sechszellenstadium: Äquatorialplatten der diminuierten Chromosomen in A u. B. EMSt z e i g t bei der nächsten Teilung die Chromatindiminution d) Tetraeder nach Doppelbefruchtung Typus I : e i n e P - Z e l l e , 3 ¿ B - Z e l l e n , e) Nächste Teilung, f ) Übernächste Teilung: e i n e Zelle P , . g ) Tetraeder Typus I I : z w e i P-Zellen, 2 ¿ B - Z e l l e n , h) Nächste Teilung, i ) Übernächste Teilung: z w e i Zellen P , in Teilung, k ) Tetraeder Typus I I I : d r e i P-Zellen, eine Zelle AB. 1) Nächste Teilung, m ) d r e i Zellen P , in Teilung P-Zellen: dunkel umrandet. EMSt: am R a n d e punktiert Bildungen. abgeteilt

V o n ihr h a b e n sich zunächst die A B - Z e l l e ( A b b . 19 a ) ,

dann

die

EMST-Zelle

(Ectoderm)

(Entoderm,

d e r m , S t o m o d ä u m , A b b . 1 9 b ) . Sie w i r d n o c h z w e i w e i t e r e f ü r die Erzeugung und

schließlich

von

Ectoderm

unmittelbar

die

und Mesoderm Keimzellen

aus

MesoZellen

hervorbringen sich

entstehen

lassen ( v g l . S. 108 f.). Z w i s c h e n S t a m m z e l l e n u n d K ö r p e r z e l l e n be-

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Ei und Furchung

steht ein Unterschied in der Gestalt der Chromosomen: Jedesmal, wenn die Stammzelle einer Körperzelle den Ursprung gegeben hat, entledigen sich die Chromosomen dieser Körperzelle ihrer langen Enden (Chromatin-Diminution) und lösen sich in etwa 60 kleine Einzelchromosomen auf. In Abb. 19a zeigt, die P-Zelle die normale Zahl von 2n = 2 langen sog. Sammelchromosomen, während die Zelle AB in ihrer ersten Mitose die Chromatin-Diminution aufweist. Die dem Plasma dadurch zugeführten Chromosomenenden bestehen aus Heterochromatin. Gegenüber dem Plasma dieser Körperzellen mit den diminuierenden Chromosomen ist das Plasma in der Stammfolge der P-Zellen ganz besonders ausgezeichnet. An d e m Pol der Kernspindel, an dem sich jeweils die kommende P-Zelle bilden wird, beobachtet man vor der Teilung stets eine Kappe hellen Plasmas. Sie enthält dicht gepackt Ribonucleingranula. Offenbar steht dieses Plasma in ursächlichem Zusammenhang mit der Erhaltung der langen Sammelchromosomen. Es übt gewissermaßen eine Schutzfunktion aus.

Wenn einmal zwei Spermatozoen mit zwei Cytozentren in das Ei eindringen, zerfällt es bei der ersten Teilung zugleich in vier Blastomeren, welche meist nicht in einer Ebene, sondern in der Form eines Tetraeders zusammenliegen (Abb. 19 d, g, k). Aber dieser Blastomeren-Tetraeder kann zu den Hauptrichtungen des Eies verschieden gelegen sein. Die Furchen können so einschneiden, daß jeweils eine (Abb. 19 d), zwei (Abb. 19 g) oder drei Zellen (Abb. 19k) diejenige Hälfte des Eies einnehmen, die sonst von der Pj-Zelle besetzt wird. Tatsächlich sieht man aus dem weiteren Verlauf der Furchung, daß nunmehr eine, zwei oder dreiBlastomeren den Charakter einer P 2 -Zelle tragen und entsprechend ihre langen Chromosomen behalten, während die komplementären Blastomeren diminuieren (Abb. 19 f, i, m): D a s C h r o m a t i n d e r F u r c h u n g s k e r n e z e i g t r e a k t i v V e r ä n d e r u n g e n e n t s p r e c h e n d dem P l a s m a b e r e i c h , d e m es z u g e t e i l t w i r d . Wenn bereits für das Seeigelei erschlossen wurde, daß die Furchungsweise von bestimmten Vorgängen im Plasma abhängt, so läßt sich für Eier mit stärker differenzierter Plasmaarchitektur besonders klar sichtbar machen, daß die Anwesenheit strukturell ausgezeichneter Plasmabereiche einen spezialisierten Verlauf der Furchungsebene hervorrufen kann.

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

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Das Ei von Dentalium zeichnet sich durch eine besondere Art der Spiralfurchung aus. Schon die normale Spiralfurchung stellt eines der klassischen Beispiele einer Mosaikfurchung dar. Die Furchungsteilungen sind frühzeitig inaequal. Sie laufen nach genau eingehaltenem Rhythmus ab. Bestimmte Zellfolgen geben jeweils den einzelnen Teilen der Trochophora-Larve ihren Ursprung (cell lineage). Aus großen und kleinen Zellen ganz bestimmt ter Lagerung setzt sich ein Zellmosaik zusammen, das der Gliederung des Larvenkörpers genau entspricht (Abb. 1, Bd. II). Diese Verhältnisse lassen bereits die mögliche Bedeutung des Cytoplasmas für den Furchungsablauf voraussehen.

Bei Dentalium liegen während der ersten Furchungs'teilung Spindel und Furchungsebene im Ei zunächst durchaus symmetrisch (Abb. 10 c). Erst durch einseitige Zuteilung des Polplasmas infolge der autonomen Bewegung des Pollappens (S. 33) schneidet die Furchungsebene inaequal ein (Abb. 10 d). Wird experimentell der Pollappen entfernt (g), so bleibt die Furchung aequal (h). In der Folge setzt sich eine völlig gleichförmige Spiralfurchung ohne Auszeichnung von Zellen eines Quadranten durch. Entsprechend furchen sich animale (diploide) Fragmente des befruchteten Eies äqual (Abb. 11, 29 c2), vegetative, hier zugleich andromerogonische, inaequal und mit harmonisch verkleinertem Pollappen (Abb. 29 c3). Beide meridionalen Fragmente behalten ebenso die inaequale, der normalen ähnliche Furchungsweise bei, sowohl in diploidem wie in haploidem Zustand. Leider sind von solchen Fragmenten spätere Furchungsstadien nicht bekannt, auch keine Zellzählungen an den Larven durchgeführt. Überdies fehlen bisher polyploide Formen. Nimmt man jedoch den II, S. 15 geschilderten Experimentalbefund aus der späteren Embryonalentwicklung von Tubifex hinzu, so mögen die Hinweise genügen, um zu erkennen: Beim T y p u s der E i e r m i t s t a r k d i f f e r e n z i e r t e r P l a s m a a r c h i t e k t u r k o m m t die K e r n p l a s m a r e l a t i o n g e g e n ü b e r dem p l a s m a t i s c h b e s t i m m t e n F u r c h u n g s m o s a i k n i c h t zur Geltung. Die Menge des jeweils zur Verfügung stehenden Chromatins kann sich nicht frei im Sinne der Kernplasmarelation auswirken, weil Eigentendenzen des Cytoplasmas für die Spezialisierung des Furchungsverlaufes dem entgegenstehen.

56

Ei und Furchung

Die Einschränkung der Kernplasmarelation bei Eiern mit stark differenzierter Plasmaarchitektur gilt meistens nur für den Prozeß der Furchung selbst. Zwar bleibt bei den zellkonstanten Tieren, z. B. Rädertieren, die Zellanzahl auch nach der Embryonalentwicklung, während des ganzen Lebens der Tiere, festgelegt. Ebenso sind manche Organsysteme, bei Ascaris das Nervensystem, bei Tubifex die Coelomderivate, sehr wahrscheinlich zellkonstant. Aber meistens beschränkt sich bei marinen Ringelwürmern und Weichtieren die Zellkonstanz auf solche Zellfolgen, die unmittelbar zur Bildung bestimmter larvaler Körperformen führen, während zum Aufbau des geschlechtsreifen Tieres an bestimmten Stellen des Larvenkörpers Aufbauvorgänge einsetzen, die nicht mehr an die Gesetzmäßigkeiten der plasmatischen Eiarchitektur gebunden sind (vgl. II, S. 16). Nach diesen Darstellungen tragen bereits von Anfang der Entwicklung an sowohl Kern wie Plasma wechselseitig zum Aufbau der Eiorganisation bei. Die Ergebnisse aus q u a n t i t a t i v e r Veränderung der Kern- oder Plasmafaktoren können noch durch Folgerungen aus weiteren Experimenten ergänzt werden, in denen die Kernfaktoren eine q u a l i t a t i v e Abänderung erfuhren. DieAuswirkung disharmonischer KernPlasma-Kombination läßt sich folgendermaßen prüfen: Durch B a s t a r d i e r u n g wird lediglich einem bekannten KernPlasma-Verhältnis ein fremder Kernanteil eingefügt. Wenn man jedoch entsprechend den S. 49 geschilderten Merogonieversuchen ein entkerntes Ei mit dem Sperma eines art- oder gattungsfremden Tieres besamt, Bastardmerogone herstellt, so tritt das Eiplasma mit einem qualitativ vollständig andersartigen Kern in die Entwicklung ein. Diese experimentelle Veränderung wirkt sich negativ oder positiv aus. Es soll zunächst von denjenigen Fällen gesprochen werden, in denen während der Entwicklung früher oder später Schäden zu Tage treten, weil aus ihnen besondere Aufschlüsse über Ort und Zeit einiger Kern-Plasma-Reaktionen erhalten werden können. Die Entwicklung verläuft bei reinen Bastardkeimen häufig ganz anders als bei deu entsprechenden Bastardmerogonen. So sind

Reaktionen zwischen Kern und Cytoplasma im Ei

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die Bastarde der Seeigel Sphaerechinus $ x Paracentrotus durchaus bis zum Pluteus entwicklungsfähig; ebenso kommen z. B. die der Bastardkröten Bufo communis $ X Bufo viridis J über die Metamorphose. Bei der umgekehrten Kombination versagt die Entwicklung. Aber auch die Bastardmerogone: Kernloses Eifragment Sphaerechinus (?) x Paracentrotus £ ( B o v e r i ) bzw. durch Radiumstrahlen kerngeschädigtes Ei Bujo communis (?) x Bujo viridis S bringen es nur bis zum Beginn der Gastrulation (P. H e r t w i g ) . Die Schädigungen, welche in diesen Fällen sehr frühzeitig den ganzen Bastardkeim ergreifen, treten bei anderen Bastardmerogonen später auf, in ganz bestimmten Entwicklungsstadien und bestimmten Bereichen. Die Bastardmerogone aus dem entkernten Ei Teichmolch (?) und Kammolch^ (Triton taeniatus (?) X cristatus £ bzw. palmatus (?) X cristatus