(Aus dem Institut tiir allg. Biologic u. exp. Morphologie d. Karls-Universit~t in Prag. Vorstand: Prof. Dr. Vlad. R~i~ka.)

Beitritge zum Studium der Protoplasmahysteresis und der hysteretischen Vorg~inge. (Zur Kausalititt des Alterns.)

II. Die physikalischen Voraussetzungen der hysteretischen Ver~tnderangen.

Von

Dr. Erwin Bauer, Assistent am Institut.

Mit 1 Textabbildung.

(Eingegangen am 24. Juli 1923.)

So sehr ~uch die physikalisch-chemische Forschungsrichtung in der Biologic zur Aufklarung der einzelnen Lebensvorg~tnge beitr~tgt, kalm sic uns allein hie zur L6sung allgemeiu biologischer Fra.gen fiihren; hierzu is~ die Anwendung biologiseher Gesetze notwendig, welche letz- tere es uns erst erm6glichen, das zum Versti~ndnis der Lebensvorghnge Wesentliche aus der Ftille der physikalisch-chemischen Gesetzm~13igkeiten herauszufinden. Im folgenden m6chte ich einen solchen Versuch der Anwendung physikalisch-chemischer Gesetzmi~fligkeiten auf Grund all- gemein biologischer Gesetze unternehmen.

Den Ausgangspunkt der folgenden Untersuehungen bildete die An- n~hme /~ /dkas , dab gewisse Andcrungen des Plasmazustandes im Laufe des Lebens, welche er als ~Protoplasmahysterese~ bezeichnet, stattfinden. Die Erscheinungen, auf Grund welcher R ~ i d k a auf eine ~I~ysterese~ der lebenden Substanz sehhel3t, sind im wesentliehen folgende: Wi~hrcnd der Ontogenese vermehren sich st~tndig diejenigen Eiweil3verbindungen, welche am wenigsten quellungs- und 15sungsfiihig sind (Plastin, Keratin usw.). Diese Verbindungen entstehen synthetisch aus dem Zellplasma und sind auf Grund ihrer erw~hnten Eigensehaften in einem sehr st~bilen Zustande. Eine Riickbildung in Zellplasma kann zwar bis zu einem gewissen Grade sta~tfinden; die Veri~nderungen abet, welehe zu einer Umwandlung des Zellplasmas in diese Verbindungen fiihren, sind iiberwiegend und so kommt es zu einer st~ndigen Vermeh- rung derselben im Laufe der Ontogenese. / ~ / ~ k a schlieflt aus seinen Beobaeh~ungen, z. B. an hungernden Tritonen (Arch. f. Entwicklungs- mech. d. Organismen Bd. 42, 1917), dab diese Vermehrung der unlSs- lichen bzw. sehwerlSsl[chen Produkte um so rascher vor sieh geht, ]e intensiver der Stoffweehsel ist.

484 Erwin Bauer: Beitr~ge zum Studium der Protoplasmahysteresis

Bei dem folgenden Versueh mSchte ich you meinen ~Grundprin- zipien(( (Roux' Vortr. u. Aufs., 1920, Heft 24) ausgehen, die ieh aus meiner Definition der Lebewesen ableitete. Fiir die folgende An- wendung geben wit ihnen folgende Formulierung:

1. Der lebende Organismus darf hie im Gleiehgewicht sein, also naeh der bekannten thermodynamisehen 17ormulierung miissen immer mit, den festen Bedingungen vereinbare Ver~nderungen stattfinden kSnnen, ffir welehe gilt:

dU --A as =----T--- > 0,

wobei bekanntlieh S die Entropie, U die Gesamtenergie, T die absolute T emperatur, A die Arbei~, Q die Wiirmemenge bedeutet.

2. Wenn solche Bedingungen nieht vorhanden wi~ren, so leistet der Organismus Arbeit, die zur Erffillung dieser Bedingungen ffihrt.

3. Die Bedingungen 1. und 2. sind erffillt fiir jede Anderung in der Umgebung, d.h. fiir alle drei Fi~lle:

dU-~-Q--~ A~O. Diese drei Eigensehaften wurden auf Grund der Definition gefordert und daher miissen die hierzu notwendigen Bedingungen Iiir jedes Lebe- wesen allgemeine Gfiltigkeit haben. Diese Bedingungen sind:

4. Es muB d U = 0, d. h. es kann in ihm kein dynamisehes oder statisches Gleiehgewieht bestehen.

5. Es kann nicht st~ndig d U > O sein, denn jede Zunahme dU mug nach der Bedingung 2. verbraueht werden.

6 . Die freie Energie kann nur bis zu einem Minimum sinken. Wollen wir diese Beziehungen, als ffir jedes Lebewesen giiltig, auch

auf die kapillar-ehemisehen Prozesse in den Organkolloiden anwenden, so mfissen wir folgendes iiberlegen:

Die angefiihrten quantitativen Beziehungen mfissen ihre Gfiltigkei~ behalten, wenn wit an Stelle der Gesamtenergie eine gewisse Energie- art einsetzen, yon welcher wir wissen, dab sie zur Arbeit gem,S For- derung 2., also zur Verhinderung des Eintrittes des Gleiehgewichtes, d. h. zu ~)regulatorischer Funktion (~ verwendet wird. Dies folgt aus dem Prinzip, dab s~mtliehe aufgenommene Energie zu regulatorischen Funktionen verbraucht werden mul3, dal] also diejenigen Energie- formen, welche innerhalb des Lebewesens frei werden, sehlieBlieh in solehe Energieformen umgewandelt werden miissen, die zu regulatori- sehen Funktionen verwendet werden. (S. mein III . Prinzip.) Hier- dureh erleichtert sich natfirlich bedeutend die Anwendung der Prin- zipien. Wir wollen nun als Beispiel die elektrische Energie nehmen, welehe dutch den kolloidalen Zustand des Plasmas bedingtist. Dana folgt auf Grund der Beziehungen 4 , 5., 6. :

und der hysteretisehen Vorg~nge. (Zur Kausalit~t des Alterns.) IL 485

a) Die $Ienge der elektrisehen Energie, d. h. das halbe Produkt der Potentialdifferenz in die Gesamtladung der Organkolloide, kann nieht konstant bleiben, sondern mug sich st~ndig ~ndern;

b) die 3~enge der elektrisohen Energie der Kolloide des lebenden Organismus kann nur bis zu einem gewissen Grade zunehmen (Assi- milagionsgrenze<0 und die Zunahme muB wieder abgegeben werden;

c) die Zunahme der elektrisohen Energie bedingt eine Abnahme der elektrisehen Potentialdifferenz, welehe Abnahme nur bis zu einem gewissen Grade stat tf inden kann (>)Dissimilationsgrenze(().

Wenn wir nun die Gesamtladung, die im Organismus dureh den kolloidalen Zustand des Plasmas gegeben ist, naeh der Formel:

V1 -- V_- e ~ - S . . . .

d

messen, wobei wir annehmen, dab die Gesamtladung in der elektrischen Doppelsehicht an den Grenzfl~chen der dispersen Phase und des Dis. persionsmibtels, wie in den Kondensatoren gegeben isg und wobei e die Dielekbrizit~tskonstante des Sfediums, 8 die Gesamtfli~che der

dispergierten Teilchen, V 1 - V~ das Potentialgef~lle bezeichnet, dann d

stellt die Gesamtenergie (U) der Organkolloide die Gleichung:

U ~ 1C (V~ -- V~) ~- K - S - (VI - - V2) ~ . . . . . . . . 1.

1 e dar, we K -

2 d

eine Konstante bedeuteg, die durch die Dielektriziti~tskonstante und den Abstand der beiden Schiehten bestimmt ist.

Aus der geziehung I. ist es klar, d~]] die gesamte clektrische Energie der Organkolloide yon S, d. h. yon der GrSl3e der Grenzflttche, abh~tngt, welche bei gleicher Menge der dispersen Phase vom Dispersionsgrade abhangig is~ und welter yon V ~ - V.2, d. h. yon der Potentialdifferenz an den Grenzfl~chen.

Wenn wir diese Beziehungen mit den oben angefiihrten allgemein biologisehen vereinigen, so folgt:

a) Das Produkt der G'esamtoberfl'~iehe der dispersen Phase in das Quadrat der Potentialdifferenz an dieser Oberflache 5ndert sich sthndig im lebenden Organismus. Es kann kein dynamisehes Gleiehgewieh~ betehen, denn diese Energie wird bei jeder Lebensfunktion verbraueht (Assimilation usw.) und es muB daher entweder die Potentialdifferenz abnehmen, oder es muI3 die Gesamtoberfl~che kleiner werden. Aus der go gewonnenen Arbeit muB nattirlieh wieder das Produkt auf irgend- einem Wege - - also der Dispersi~tsgrad oder die Potentialdifferenz - - vergrSBert werden.

486 Erwin Bauer: Beitr~ge zum Studium der Protoplasmahysteresis

8) Das erwihnte Produkt kaml entweder dutch die VergrSl]erung der Oberfliche oder der Potentialdi/~erenz bis zu einem bestimmten Maximum waehsen, muB aber naeh einer gewissen Zeit im Laufe der Ontogenese wieder abnehmen.

7) Die Arbeitsfihigkei~ des Organismus, welche auf Grund der For- derung 2. immer einen gewissen positiven Betrag haben muB, kann nu t bis zu einem gewissen Minimum abnehmen, d. h. die Potentialdifferenz an den Grenzfl iehen kann einen gewissen Grad nicht unterschreiten soil der Orgaifismus nieht zugrunde gehen, oder anders gesagt - - n immt die Potent, ialdifferenz fiber einen gewissen Grad ab, so fiihrt dies zum Tode des Lebewesens.

Wit wollen nun zusehen, wie weir unsere allgemeinen ~orderungen tats iehl ich erfiillt sind im Laufe des Lebens und bei J~nderungen, die dureh wesentliche Lebensfunktionen bedingt werden, wie beim Waehs- turn, bei der Dissimilation und Assimilationi).

Wenn wit nun, wie erw~hnt, ansta t t der Gesamtenergie des Organis- mus die gesamte elektrisehe Energie in Reehnung ziehen, so bedeutet eine Vermehrung oder Vergr6Berung der Zellen, also ein Waehstum, vor allem eine Zunahme der Organkolloide, wobei naeh a) das Produkt : 8 (F1- -V2)2 sich in irgendeiner Weise ge inder t haben muB. H a t sich die gesamte elektrisehe Energie vergrSBert, fand also bei diesem Waehs- turn tatsiehlieh eine Assimilation yon Energie stat t , so bedeutet dies, dab das erwihnte Produkt gr6Ber wurde, d. h. entweder nahm die Potentialdifferenz an den Grenzfl~ehen zu, oder es vergr6{]erte sich die gesamte Grenzfliehe zwisehen disperser Phase und Dispersionsmittel. Die VergrSBerung der Potentialdifferenz ist aber auszusehlieBen, da naeh Forderung 2. eine Assimilation auf Kosten der Arbeitsfi~higkeit des Systems selbst stattf indet, also in unserem Falle dureh Abnahme der Potentialdifferenz. Es h~t sieh also die Grenzfliche entsprechend vergrSBert. Dies konnte in zweierlei Weise gesehehen: entweder dutch Erh6hung des Dispersititsgrades oder dutch VergrSBerung der Grenz- ll~ehe bei dem gleiehen oder verminderten Dispersit~tsgrade dutch absolute Vermehrung der dispersen Phase. l~aehdem aber, wie wit wissen, der Dispersit i tsgrad yon der Potentialdifferenz abh~ngt, und zwar nimmt derselbe mit Abnahme der Po~entialdifferenz ebenfalls ab, kann also die VergrSBerung der Grenzfliche durch den absoluten Zu- waehs der dispersen Phase - - wie es tatsichlich beim Wachstum und bei der Assimilation der Fall ist - - nur mit einer Abnahme der Poten- tialdifferenz und des Dispersitatsgrades der 0rgankoUoide einhergehen.

1) Der Anwendung des zweiten Itauptsatzes steht eino iKassenzunahme nicht im Wege, da dieselben Beziehungen gtiltig bleiben, wenn wit die Nahrungs- mittel schon im voraus mit in das System einbeziehen.

und der hysteretischen Vorg~nge. (Zur Kausalit~ des Alterns.) IL 487

Wit kommen also auf Grtmd d e r yon uns angenommenen allgemein- biologischen Beziehungen im Zusammenhang mit den allgemein giil- tigen einfaehsten physikalisohen und kolloidchemischen Gesetzm~Big- keiten zum Resultate: Jeder Wachs~ums- und Assimilationsvorgang, welcher mit einer tatsgchlichen Vermehrung der Gesamtenergie des Organismus einhergeht, muB mit einer Abnahme des Dispersit~tsgrades und der elektrisehen Potentialdifferenz an den Grenzflhehen einhergehen.

Die zweite allgemeine yon uns angenommene Beziehung b), dab die Zunahme der clektrischen Energie eine bestimmte obere Grenze (~>Assi- mflationsgrenze( 0 haben muB, li~Bt sieh nun auf Grund des obigen direkt ableiten, denn sic mu~ mi~ einer Abnahme der Potentialdifferenz und des DispersitStsgrades, d. h. mi~ einer A.bnahme der Stabflit~t der Organkolloide, einhergehen, also mit anderen Worten die Potential- differenz n~hert sieh der 0 und erreieht sie die, so kann der Forderung 2. nieht Geniige geleisteb werden. Hier t r i t t der Ted des Lebewesens eln, begleitet yon einer spontanen Ausflockung der OrgankoUoide. Daher muB, auch wenn keine weitere Assimilation stattfindet, die vor- handene assimilierte Energie, also jedes Plus fiber den Anfangswert, wieder abgegeben werden. (S. I I . Prinzip.) Es mull also auch beim StiUstand der Assimilations- und Waehstumsvorgiinge eine st~ndige, wenn auch bedeutend langsamere Abnahme der Potentialdifferenz und der Stabilit~t der Organkolloide stattfinden.

Diese Beziehungen sollen nun experimentell kontrolliert werden. Zu diesem Zweeke benutzten wit die einfachsten Methoden: 1. die Aus- flockbarkeit mittels Alkohol, 2. die Bestimmung der [H'] mittels der vereinfaehten Indikatorenmethode nach Michaelis. Die Ausflockbar- keit sell uns ein l~aBstab fiir die Stabilitt~t, also ein indirekter ~aBstab fiir die Potentialdifferenz an den Grenzfl~chen, liefern. Die [H'] sollte sich ebenfalls entspreehend der Ausflockbarkeit i~ndern, naehdem die elektrisehe Ladung der Kolloide yon dem Ionenbelage der Teilehen, diese vom Dissoziationsgrade abh~ngig ist und ltLgt sich bekanntlieh als eine Funk~ion der [H'] ausdriieken. Wir iiberzeugten uns an dem versehiedensten l~Iaterial, dab die gew~hlten 5[ethoden hinreiehen, um uns die erwarteten Abweiehungen zu zeigen. Ich mSchte hier als Bei- spiel einige Resultate veto menschliehen Blutserum anfiihren:

Alter Tritbung nach Alkoholzugabe PH 1Remerkung

3 Stunden 8--10 Monate

17--18 Jahre 34 Jahre 65 Jahre

0 0 +

+ + + + +

5,5 6,1 7,3 7,4 7,6

} Durohschnitt mehrerer F/~IIo

488 Erwin Bauer: Beitr~tge zum Studium der Protop!asmahysteresis. H.

Aus dicser Tabelle, wie aus der folgenden Abbildung, geht klar her- vor, dab die Ausfloekbarkeit und die Zunahme der Alkaleszenz mit- einander parallel gehen und beide mi t dem Alter steigen. Weiterhin ist zu sehen, dab der Anstieg tier Alkaleszenz in der ersten Periode des extrauter inen Lebens der grSBte ist, was auch tatsi~ehlich der Periode

~ 1 i i i i I I I I t I I I

I I I I 6 1 1 1 1

I I 1 [ 5.5 I ] ' 1 1

~z 1o 7 7 ~ z o

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I I I I I

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I II II

5o 6o ~b"

des intensivsten Wachstums entsprieht. Diese Ergebnisse wfirden also im Einklange mi t den Ansichten R~iSka8 fiber die ))Protoplasmahysterese (~, sowie mit den Belunden Minol8 fiber die Wachstumsf~higkei t stehen.

Diese Beziehungen gelten nicht nur ffir das menschliche Serum, son- dern auch ffir die versehiedensten Gewebsextrakte der verschiedensten Tiere. Es handelt sich also um eine allgemein biologische, fiir die Lebe- wesen charakteristische Gesetzm~l~2gkeit, was sich fibrigens erwarten 1Jell, da bei ihrer Ableitung nut Beziehungen vorausgesetzt wurden, die ffir jedes Lebewesen giiltig sind. ~ a c h d e m abet diese abgeleiteten Resul- tare, wie wir oben sahen, aueh experimentell best~t igt werden konnten (s. auch R~iJka 1908, 1917, 1921), erblicke ich darin auch einen experi- mentellen Beweis ~fir die Giiltigkeit meiner Prinzipien bzw. ihrer Frueht- barkeit . Was im speziellen die Zunahme der Alkaleszenz des menschliehen Blutserums betrifft , erhielt P]aundler ffir die erste Lebensperiode ~hn- fiche Resultate. P/aundler sagt: ))Die A lkaleszenz des Blutserums scheint im Verlaufe des extrauter inen Lebens allm~ihlich zu steigen(~Z).

Aus dem Angef/ihrten folgt, dal~ die Verknfipfung allgemein bio- logiseher Beziehungen mi t physikaliseh-chemisehen uns tats~ehlich zur Erkenntnis solcher gesetzm~l~iger Anderungen physikalisch-chemischer Eigensehaften ffihren kann, welche nu t fiir die Lebewesen, fiir die abet eine allgemeine, G/iltigkeit besitzen.

L i t e r a t u r .

.R~i~ka: Zur Kenn~nis der Iqatur und Bedeutung des Plastins. Arch. f. Zellforsch. Bd. 1. 1908. - - Ders.: Kausal-anlyt. Unters. fiber d. tterkunft d. Chromatins I. Vers. fiber die Herknnft des Bakterienchromatins. Arch. f. Ent- wicklungsmech, d. Organismen Bd. 42. 1917. - - Ders.: Besehleunigung der H~iutung dureh Hunger. Ibid. - - Dors.: Uber Protol)lasmahysteresis usw. Pfliigers Arch. d. ges. Physiol. Bd. 194. 1922.

~) D e r B e w e i s ist auch in der neuen Arbeit vonDuzdr (Jahrb. f. Kinderheilkde. Bd. 100. !923) geliefert.