Untersuchungen zur Analyse der retinalen Flimmerpotentiale von Carausius morosus

Zusammenfassung Das Komplexauge der Stabheuschrecke Carausius morosus Br. wird mit Blinklicht gereizt (Blinklicht=periodische Lichtimpulse mit rechteckförmigem Zeitverlauf). Die Flimmerpotentiale werden durch Ag-Elektroden mit aufgeschmolzener AgCl-Schicht abgeleitet und nach Gleichspannungsverstärkung registriert.Bei 20° C, 25° C und 30° C werden helladaptierte Augen mit Blinklicht geringer Spitzenlichtstärke und dunkeladaptierte Augen mit Blinklicht höherer Spitzenlichtstärke gereizt (Blinkfrequenz 1 Hz). Die dabei aufgenommenen Adaptationskurven (Abb. 1–6) haben eine deutliche Schulter, bei der Helladaptation nicht selten sogar ein ausgeprägtes Zwischenmaximum; die Kurvenform ist sehr variabel. Unter den Versuchsbedingungen ist die Dunkeladaptation nach 30–60 min beendet, unabhängig von der Temperaturstufe. Die Helladaptation dauert bei 30° C ungefähr 10 min, bei 20° C länger als 30 min.Wahrscheinlich sind an der Adaptation mindestens zwei verschiedene Prozesse beteiligt: 1. ein Vorgang geringer Trägheit mit einem Wirkungskreislauf (Gegenkopplung oder Regelung) und 2. ein träger, aperiodisch verlaufender Vorgang, der erst nach etwa 3 min einsetzt (Pigmentwanderung?).Zur Untersuchung der Frage, wie die Amplitude der Flimmerpotentiale vom zeitlichen Muster der Blinkreize abhängt, wird das Carausius-Auge mit zahlreichen Blinklichtern verschiedener Frequenzen und Lichtanteile (=Impulsdauer/Periodendauer) gereizt (bei Spitzenlichtstärken von etwa 1 lx, 0,1 lx und 0,01 lx insgesamt 426 verschiedene Reizmuster); die Blinkimpulse haben dabei stets die gleiche Anstiegs- und Abfallsdauer (knapp 2 msec). Nach vollständiger Adaptation an den jeweiligen Blinkreiz wird die Potentialhöhe gemessen (Abb. 7–10).Die Potentialhöhe folgt hauptsächlich der Pausendauer der Blink — reize (Abb. 11), nur im Bereich sehr kleiner Lichtanteile wird sie vorwiegend von der Impulsdauer bestimmt; bei voller Spitzenlichtstärke liegt die Grenze dieses Bereichs unterhalb des Lichtanteils 0,1 (Abb. 19), bei herabgesetzten Lichtstärken zwischen den Lichtanteilen 0,1 und 0,2 (Abb. 20 und 21). Änderungen der Pausendauer bei konstanter Blinkfrequenz oder konstantem Lichtanteil haben einen viel stärkeren Einfluß auf die Potentialamplitude als entsprechende Änderungen der Blinkfrequenz oder des Lichtanteils bei konstanter Pausendauer. Die Abhängigkeit der Potentialamplitude von der Reizfrequenz beruht demnach vorwiegend oder vollständig auf der mathematischen Beziehung der Blinkfrequenz zu Impulsdauer und Pausendauer; das gilt auch für den Lichtanteil, obwohl er bei konstanter Spitzenlichtstärke den mittleren Adaptationszustand bestimmt. Die formale Abhängigkeit der Potentialhöhe von Impulsdauer und Pausendauer läßt auf einen kausalen Zusammenhang schließen. Die Reizfrequenz wäre demnach nur eine Rechengröße ohne unmittelbare physiologische Bedeutung.Das Carausius-Auge registriert Blinkreize mit einem Lichtanteil über 0,1 als eine Folge periodischer Dunkelreize, die eine Dauerbelichtung unterbrechen. Die Analyse der Flimmerpotentiale muß daher von der Reaktion des Auges auf kurze einzelne Dunkelreize ausgehen. Zur Analyse der Potentialverschmelzung sollte man nicht die kritische Blinkfrequenz, sondern die kritische Pausendauer untersuchen.Wenn dem Carausius-Auge sinusförmige Flickerreize und zum Vergleich Blinkreize mit derselben Spitzenlichtstärke und dem Lichtanteil 0,5 geboten werden, dann unterscheiden sich die Potentialamplituden bei gleichen Reizfrequenzen nur wenig voneinander (maximal um den Faktor 1,6, bei 9 Hz), trotz der viel geringeren Steile der Sinusreize (Abb. 12). Die Form der Flickerreize ist also für das Carausius-Auge kein besonders kritischer Faktor.Bei Reizfrequenzen über 2–4 Hz sind in den Flimmerpotentialen positive Ein-Effekte und negative Aus-Effekte zu erkennen (Abb. 13 und 14). Die Latenzdauern beider Effekte gegenüber den auslösenden Reizwechseln sind im einzelnen Präparat bei konstantem Lichtanteil unabhängig von der Reizfrequenz (Tabelle 2). Auf diese Weise läßt sich der positive Ein-Effekt noch bei 15 Hz nachweisen. Die Ergebnisse werden durch Versuche mit unterbrochenen Blinkreizen bestätigt, bei denen in die regelmäßige Folge von Blinkimpulsen und -pausen alle 0,5 sec abwechselnd ein Impuls oder eine Pause doppelter Dauer eingeschaltet ist (Abb. 15 und 16).Das helladaptierte Auge beantwortet einzelne Dunkelreize mit einem negativen Aus-Effekt (Abb. 17 und 18). Der Aus-Effekt ist viel größer als die positive Primärphase; bei einer Reizdauer von 25 msec erreicht er bereits seine maximale Höhe. Ein-Effekt und Aus-Effekt erscheinen, wie im Calliphora-Auge, besonders geeignet, einen Wechsel der Lichtstärke anzuzeigen.Sämtliche Formänderungen der Flimmerpotentiale lassen sich zwanglos deuten, wenn man in Übereinstimmung mit früheren Autoren drei Potentialkomponenten annimmt: Eine träge und eine schnelle negative Komponente, die beide in den Sinneszellen entstehen, und eine positive, wahrscheinlich ganglionäre Komponente, die für Ein-Effekt und Aus-Effekt verantwortlich ist.Die Neurone, in denen die ganglionären Effekte entstehen, haben vermutlich die Fähigkeit, kleinste Potentialänderungen der Sinneszellen mit erheblich größeren Spannungsschwankungen zu beantworten.Die Abhängigkeit der Amplitude des Flimmerpotentials vom zeitlichen Muster der Blinkreize läßt sich auf bekannte Eigenschaften des Insektenauges zurückführen. Der maßgebende physiologische Faktor ist die Trägheit der Dunkelreaktion, mit der das Auge den Dunkelreiz (die Blinkpause) beantwortet. Bei konstanter Spitzenlichtstärke der Blinkreize ändert sich die Trägheit der Dunkelreaktion nur wenig mit dem durchschnittlichen Adaptationszustand; sie nimmt aber deutlich ab, wenn die Dauer des Blinkimpulses, der der auslösenden Blinkpause vorangeht, bis zur Sättigungsgrenze zunimmt. Dieser Vorgang wird hier Präadaptation genannt.Aus der Deutung der Befunde ergibt sich eine Formel der Potentialhöhe im Verschmelzungsgebiet als Funktion von Impulsdauer und Pausendauer; die berechneten Werte stimmen mit den gemessenen vorzüglich überein (Tabelle 3).

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Summary The compound eye of the stick insect, Carausius morosus Br., was stimulated by intermittent light (periodic light flashes with a rectangular time course). The retinal action potentials were picked up on silver electrodes coated with molten silver chloride and passed to an oscilloscope after dc-amplification.Light-adapted eyes were illuminated by intermittent light of low peak luminance, dark-adapted eyes by intermittent light of higher peak luminance (frequency 1 cps) at temperatures of 20° C, 25° C, and 30° C. The recorded adaptation curves (fig. 1–6) have an evident shoulder, in the case of light-adaptation sometimes even a distinct intercalated maximum. The form of the curves varies considerably. Under the chosen conditions the dark-adaptation is completed within 30–60 min, independent of temperature. At 30° C the duration of the light-adaptation amounts to 10 min, at 20° C to more than 30 min.At least two different processes seem to be concerned with the adaptation: 1. a fast process with negative feed back and 2. a slow, aperiodic process (migration of pigments?) which does not start before 3 min after the end of the illumination.The dependence of the oscillating potentials on the time pattern of the periodic light flashes was studied by stimulating the Carausius eye with numerous patterns of intermittent light differing in peak luminance, frequency, and light-dark ratio (at peak luminances of about 1 lx, 0.1 lx, and 0.01 lx; altogether 426 different stimuli). The durations of rise and decline were the same (below 2 msec) in all light impulses. The amplitude of the retinal responses was measured after complete adaptation to the respective flicker stimulus (fig. 7–10).The amplitude of the oscillating potentials was found to be determined preponderantly by the dark-duration of the intermittent light (fig. 11). Within the range of very low light-dark ratios, however, the light-duration is the dominating factor. At maximal peak luminance the limit of this range is situated below the light-dark ratio 0.1 (fig. 19), at reduced peak luminances between the light-dark ratios 0.1 and 0.2 (fig. 20 and 21). Changes in the dark-duration at constant frequency or at constant light-dark ratio exhibit much greater effects on the amplitude of the flicker responses than corresponding changes in frequency or in light-dark ratio at constant dark-duration. Therefore, the dependence of the amplitude on frequency is due, prevailingly or completely, to the mathematical relation of the frequency to light-duration and dark duration. This applies also to the light-dark ratio, though it determines the mean state of adaptation at constant peak luminance. The formal dependence of the response amplitude on light-duration and darkduration suggests a causal connection. Accordingly, the frequency of intermittence seems to represent not more than an arithmetic quantity without direct physiological significance.The Carausius eye functions like a measuring device indicating intermittent light with a light-dark ratio above 0.1 as a sequence of periodic dark-stimuli interrupting a steady illumination. Hence an analysis of the oscillating potentials should proceed from the visual responses to short single dark-stimuli, and for an analysis of flicker-fusion it is preferable to study the critical dark-duration instead of the critical flicker frequency.There is but a little difference (at most the factor 1.6, at 9 cps) between the response of the Carausius eye to sinusoidal flicker stimuli and the response to intermittent light with the same frequency, the same peak luminance, and a light-dark ratio 0.5, although the slope of the sinusoidal flashes is much lower. Hence it follows that the wave form of the periodic light impulses is not particularly crucial for the response amplitude of the Carausius eye (fig. 12).At frequencies above 2–4 cps positive on-effects and negative off-effects appear in the oscillating potentials (fig. 13 and 14). At constant light-dark ratio the latent periods of on-effect and off-effect do not depend on the stimulus frequency in any preparation (table 2). By this means the positive on-effect is still to be discerned at 15 cps. These results are confirmed by experiments with interrupted intermittent light, in which the regular sequence of light impulses is interrupted every 0.5 sec alternately by a light-interval or a dark-interval with double duration (fig. 15 and 16).The light-adapted eye responds to single dark-stimuli with negative off-effects (fig. 17 and 18). The off-effect is much greater than the positive primary phase of the response; it attains its maximal amplitude as the dark-stimulus continues for 25 msec. In Carausius as well as in Calliphora (with eyes of the fast type), on-effect and off-effect seem especially appropriate for indicating changes in luminance.All variations in the form of the oscillating potentials can be interpreted without difficulty by assuming, in accordance with former authors, three components: a slow and a fast negative component, both originating in the receptor cells, and a positive, presumably ganglionary component which participates in the generation of on-effects and off-effects.There is some evidence that the neurons generating the ganglionary potentials may be able to respond to very small changes in the receptor potential with much higher oscillations.The dependence of the response amplitude on the time pattern of the intermittent light may be derived from known characteristics of the insect eye. The inertia of the retinal response to the dark-stimulus (dark-interval) is considered to be the decisive physiological factor determining the response amplitude. At constant peak luminance of the intermittent light the inertia of this dark-reaction varies only very slightly with the mean state of adaptation. It decreases, however, considerably, as the duration of the flash preceding the eliciting darkinterval increases up to the limit of saturation. This process is designated as preadaptation.The interpretation of the data yields a formula relating the response amplitude (in the range close to flicker-fusion) to light-duration and dark-duration. There is excellent coincidence of the calculated with the measured values (table 3).

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Mit Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.     

Versuche zur Analyse der Tagesperiodik

Ohne ZusammenfassungMit Unterstützung der Deutschen Forschungsgemeinschaft.     

Untersuchungen zur Entwicklungsphysiologie der Insektenmetamorphose

Ohne Zusammenfassung     

Untersuchungen zur Phylogenetik der Pseudocholinesterasen

Ohne ZusammenfassungMit 3 TextabbildungenAcylcholin-acyl-hydrolase (Enzyme Commision: 3. 1. 1. 8).     

Untersuchungen zur physik der transpiration

Ohne ZusammenfassungMit 10 Textabbildungen.     

Interferenzmikroskopische und cytophotometrische Untersuchungen zur Analyse von Zellkernen

Zusammenfassung In vergleichenden interferenzmikroskopischen und cytophotometrischen Untersuchungen wurde versucht, die Globulinfraktion von Zellkernen quantitativ zu erfassen. Dazu wurden Thymuslymphozyten und nach Behrens isolierte Leberzellkerne der Ratte und Nierenzellkerne vom Schwein im Ausstrichpräparat bis zu 30 Std in physiologischer Kochsalz- und Tyrodelösung extrahiert. Die Abnahme der Kerntrockenmasse wurde interferenzmikroskopisch gemessen und der DNS-, Histon- und Gesamtproteingehalt cytophotometrisch bestimmt (Feulgen-Reaktion, Färbung mit Gallocyanin-Chromalaun, Fastgreen bei pH 8 und pH 2, Naphtholgelb S).Bei Verwendung von Glycerin als Eindeckmittel fand sich bei Leberzellkernen nach Extraktion mit 0,14 m NaCl-Lösung von 3–5°C eine Trockengewichtsabnahme von 18% nach 2 Std, von 29% nach 10 Std und von 34% nach 30 Std. Bis zu 2 Std wurden Proteine, nach 10 Std Nukleohistone extrahiert. Da der nach 2 Std gemessene Proteinverlust gut mit dem Globulingehalt von Leberzellkernen übereinstimmt, wurde offenbar die Globulinfraktion erfaßt. Nach Extraktion mit Tyrodelösung bei Zimmertemperatur lag der Substanzverlust in der gleichen Größenordnung (2 Std: 12%, 10 Std: 20%, 30 Std: 29%).Bei Verwendung von Tyrodelösung als Eindeckmittel blieb nach Extraktion isolierter Nierenzellkerne mit 0,14 mNaCl-Lösung die Kerntrockenmasse bis zu 2 Std unverändert, da die Globulinfraktion schon während der interferenzmikroskopischen Messung in Lösung geht. Auch bei Thymuslymphozyten fand sich erst nach 24 Std ein Verlust von 18% der Kerntrockenmasse durch Extraktion von DNS und Histonen.Während der Suspension von Thymusgewebe in 0,14 mNaCl-Lösung nahm innerhalb von 4 Std das Kerntrockengewicht um 40% zu, wahrscheinlich infolge Proteinaufnahme.Die gewonnenen Ergebnisse werden hinsichtlich der Fehlerquellen und im Vergleich zu cytophotometrischen Messungen und biochemischen Globulinbestimmungen diskutiert.

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Analysis of cell nuclei with the interference-microscope and cytophotometryI. Determination of globulins

Summary The globulinfraction of cell nuclei was determined by dry mass determinations in comparison with cytophotometric measurements.Lymphocytes from the thymus gland, and liver nuclei from the rat and kidney nuclei from the pig, isolated with Behrens' technique, were extracted in smears, up to 30 hrs, in physiological saline and tyrode solution. The decrease of nuclear dry mass was measured with the interference microscope, and the content of DNA, histones and total proteins was determined by cytophotometry (Feulgen-reaction, staining with gallocyanin chrome alum, fast green at pH 8 and pH 2, naphtol yellow S).Using glycerol as embedding medium, after extraction with 0,14 M saline at 3—5° C the dry weight of liver nuclei decreased by 18% after 2 hrs, by 29% after 10 hrs and by 34% after 30 hrs. Nuclear proteins were extracted up to 2 hrs, nucleo-histones were removed after 10 hrs. Since the loss of proteins is in good agreement with the globulin content of liver nuclei, obviously the nuclear globulins have been extracted until 2 hrs. After extraction with tyrode solution at room temperatue, the loss of dry matter was in the same range (2 hrs: 12%, 10 hrs: 20%, 30 hrs: 29%).Using tyrode solution as embedding medium, the dry weight of kidney nuclei remained unchanged for 2 hrs when extracted with 0,14 M saline, since the globulin-fraction is lost while nuclei are measured by interferometry. With thymocytes only a loss of 18% of nuclear dry weight was found after 24 hrs due to removal of DNA and histones.Suspending the thymus gland in 0,14 M saline, the nuclear dry weight increased by 40% in 4 hrs, probably due to adsorption of proteins.The results were discussed in the light of the errors of the measurements and compared to biochemical and histochemical datas.

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Mit Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.     

Untersuchungen zur Biologie der Erbsenmycorrhiza

Ohne ZusammenfassungDissertation der mathem.-naturwissenschaftl. Fakultät der Universität Bonn.     

Untersuchungen zur Nachweismethodik der Uridindiphosphoglukose-Glykogentransferase

Zusammenfassung Es wird eine Verbesserung der Nachweismethode der UDPGGT-Aktivität angegeben. Die Vorteile dieser Methode bestehen einmal darin, daß es gelingt, durch die Anwendung einer sauren Hydrolyse durch eine 10%ige H₂SO₄ das präexistente von dem wahrend der Inkubation neusynthetisierten Glykogen zu trennen. Weiterhin werden durch die somit mögliche Perjodat-Leukofuchsin-Reaktion neusynthetisierte Polyglucosefraktionen in wesentlich größerer Breite miterfaßt, so daß auch der abschätzbare histochemische UDPGGT-Nachweis den biochemisch bekannten UDPGGT-Aktivitäten entspricht. Das methodische Verfahren wird der bisher üblichen Methode gegenübergestellt und im Zusammenhang mit Befunden anderer Arbeitsrichtungen über die UDPGGT diskutiert.

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Summary An improved method for the determination of UDPGGT-activity is described. The advantage of the method is, that by acid hydrolysis (10% H₂SO₄) it is possible to discriminate pre-existent glycogen from glycogen synthesized during the incubation period. In addition it is now possible to determine by means of the periodate-leucofuchsin-reaction freshly synthesized polyglucose-fractions much more accurately. Thus estimated histochemical UDPGGT-results correspond to biochemically determined UDPGGT-activities. The procedure is compared with usual methods and discussed in connection with results from other research on UDPGGT.

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Mit Unterstützung durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft.     

Untersuchungen zur Weiterentwicklung der Futtermittelanalyse

Afiatoxin caused some reduction in moisture contents of chest and liver, lipids of thigh and blood, blood glucose, muscular protein and GOT in liver. It led also to increase of moisture contents of thigh and kidneys; chest lipids; blood cholesterol; protein of liver, kidneys and blood and blood creatinine.

The different supplements used herein led to increasing moisture of muscles, liver and kidneys (except on oil addition); lipids of muscles (except of chest on high energy diet) and blood (except on amino acids‐supplemented diet); blood cholesterol (except on high energy one); protein of thigh (except on high protein one) and blood (except on high energy or amino acids diets) and liver GPT (except on high energy diet). The additives led also to low blood glucose; protein of chest (except on high energy), liver, and kidneys; blood creatinine; liver GOT (particularly with high energy or amino acids); plasma GOT (on high amino acids) and plasma GPT.

The 2‐week withdrawal period led to low moisture contents of muscles and kidneys of most treatments, although they continued higher than in the control for chest, liver and kidneys. It increased blood glucose and cholesterol with continuous higher lipid content of muscles and blood and blood cholesterol than in the control. It led to elevated protein content of muscles, liver (except on the control or supplements mixture), kidneys (on the aflatoxin alone or with the amino acids) and blood (except on the control or afiatoxin alone or with high protein) and blood creatinine (except on the control or on the high energy or the supplements mixture). It increased the total proteins in all treatments than in the control (except muscular proteins on supplements mixture and liver protein on high energy) and also blood creatinine (except on high energy or supplements mixture). Thus, this period was not enough for complete recovery of kidney disturbances. Values of either hepatic transaminases presented nearly no differences among treatments.