Kausalmechanismen der Kernbewegung und -teilung während der frühen Furchung im Ei der...

Wilhelm I~oux' Archly 172, 28--57 (1973) �9 by Springer-Verlag 1973

KausalmechanisInen der Kernbewegung und -teilung w/ihrend der frtihen Furchung im Ei der Gallmficke

Wachtliella persicariae L. I. Kinematische Darstellung des ,,Migrationsasters" wandernder

Energiden und der Steuerung seiner Aktivit/it durch den Initialbereich der Furchung

RMner Wolf

IIeiligenberg-Institut f/it experimentelle Biologic, Heiligenberg (Baden) und Zoologisches Institut I der Universit~t Wiirzburg

Eingegangen am 29. August 1972

Causal Mechanisms of Nuclear Movemen t and Divis ion during Ear ly Cleavage

Stages in the Egg of a Gall Midge, Wachtliella persicariae L.

I. K inema t i c Ev idence of the "Mig ra t i on C y t a s t e r " of Moving Energides,

and the Control of its Ac t iv i ty by the In i t ia l Region of the Cleavage

Summary. Between each mitotic cycle, the cleavage nuclei of WachtlielIa move over long distances, thus populating the ooplasm within a short time. Besides being shifted passively by flowing pulses of the ooplasm, the nuclei are also migrating actively. The active movements are accompanied by such oscillations of yolk partieles as are known from the eggs of other insects, too. For a closer analysis of these "quivering movements" the inseminated eggs were pressed, either totally or partially, reducing their smaller diameters to ooplasmie layers of 30 ~m or between 12 and 4 ~m, respectively. Along with the experimental reduction of the radius of the curvature at the egg surface, there is an increased tendency o/cell membrane ]ormation, resulting in a nearly total cleavage already at the 2-nuclei-stage. Furthermore, the initial region o/ cleavage (= initial region of quivering movements) may be shi[ted to a site ]ree ]rom nuclei; the initial region even may become split up into two, one near each of the egg's poles. Yet, in flattened eggs, division and migration activities of the nuclei are not prevented. Untreated as well as flattened eggs have been analysed by means of time-lapse motion pictures taken either by the phase contrast or by the differential interference contrast method, using apoehromatie objectives of maximum resolution, combined with an inverted mieroseoFe.

According to the rhythm of the cleavage divisions, waves o/irregular quivering movements spread from the initial region(s) of cleavage throughout the whole egg space. They are eomposed of irregular oscillations of yolk particles, probably caused by the effect of actively shortening, dynamic elements irregularly spread within the ooplasm. The presence of cleavage nuclei obviously exerts a kind of regulative e//ect: Shortly before such a wave of quivering movements reaches a metaphasie cleavage energide, regular oscillations and ap- proximations of yolk particles are visible in the surroundings of the nucleus. The movements in question are radially adjusted towards the spindle poles, starting at the one which is reached first by the wave of quivering movements. These "radial quivering raovements" are caused by a big cytaster, each originating from its spindle pole and distally reaching far into the ooplasm. Synchronous with the beginning of the shortening process of the astral rays, the cleavage nucleus passes through anaphase and telophase, and the spindle poles are pulled apart. During the then following migration of each daughter nucleus, its spindle pole the kinetoeentre of the previous spindle--is preserved and becomes the centre of a "migration cytaster". Its longest rays measure up to at least 80 ~m. Their distal ends temporarily insert

Kausalmechanismen der Kernbewegung. I. Der Migrationsaster 29

either in motile, or in elastically suspended, or in rigid egg components. By the recurrent short-time insertions and irregular shortening processes of the astral rays, the nucleus, displaying a strong affinity to its own kinetocentre, is pulled/oreward. This movement always occurs in the direction of the biggest ooplasmic region still free from nuclei and therefore permitting the greatest spacial extension of the migration cytasters. This could explain the so-called mutual ': repulsion" of the energides, leading to their even dispersion all over the egg space.

In some of the eggs it has been possible to separate the cleavage nuclei/rom their eytaster systems experimentally. Deprived o/their nuclei such migration cytasters behave autonomously, i. e. they are actively moving within the ooplasm, possibly even retaining their division power. On the other hand, the nuclei without their eytasters have lost their mobility and therefore at first remain in their sites. But they seem to be capable of inducing new spindle poles and migration eytasters el their own and to carry out further cleavage divisions.

The migration cytasters of all cleavage energides develop by division from the very cytaster whose formation had been induced by the sperm nucleus after entering the egg. On the other hand the/emale pronucleus, remaining without a migration cytaster and therefore lacking migration activity, is moved towards the male nucleus, pulled by the probably permanently inserted astral rays el the latter. Thus the final act of fertilization, i.e. nuclear fusion, comes about by the affinity between the (female pro-)nucleus and the (alien) migration cytaster (of the mate nucleus).

Judged by their derivation from the "polar rays" of the spindle apparatus, the astral rays with high probability are built up of tubuli, the evidence being left to electron micro- scopical investigations. Functional structures related to the causal mechanism of the migration cytaster are suggested and their supposed derivation from the mitotic apparatus is discussed. The existence of migration cytasters might not only represent an adaptation to the specific conditions of cleavage within spacious eggs, but also could be essential for the stretching of the spindle and the separation of the daughter nuclei during the division process of many other animal cells.

Zusammen/assung. Im Ei yon Waehtliella legen die Furchungskerne in der Zeit zwisehen den ~itoseschritten groi~e Sgrecken im Ooplasma zurflek, was zu einer raschen Besiedlung des Eiraumes ffhrt . Dabei finder neben der passiven Verlagerung infolge puIsierender Plasma- str6mungen ein aktiver Migrationsprozefl start. Er wird yon feinen Dotterpartikeln-Schwin- gungen begleitet, die auch in den Eiern anderer Insekten gefunden worden sind. Um diese ,,Zitterbewegung" besser analysieren zu k6nnen, sind die Eier total bzw. partieU gequetscht worden; hierdurch wird die Schichtdicke des Ooplasmas auf 30 ~zm bzw. auf 12~4 lxm reduziert. Die experimentelle Verkleinerung des Kriimmungsradius' der Eioberflgehe ]Srdert die Neigung zur Zellwandbildung, was schon im 2-Kern-Stadium zu einer /ast totalen Furchuug fiihrt. Augerdem kann der Initialbereieh der Furehung ( = Initialbereich der Zitterbewegung) in kern]mien Regionen liegen und darfiberhinaus in einen vorderen und einen hinteren Initial- bereich au/gespalten werden; Kernteilung und -wanderung werden jedoch nicht unterbunden. Die Entwieklung unbehandelter wie auch gequetschter Eier ist mit Hilfe von Zeitrafferfilmen analysiert worden, die mit dem Phasenkontrast- oder dem differentiellen Interferenzkontrast- Verfahren - - unter Verwendung h6ehstaufl6sender Planapochromate am umgekehrten Mikro- skop - - aufgenommen worden sind.

Veto Initialbereich der Furchung gehen, im Rhythmus der Furchungsschritte, Wellen unyeordneter Zitterbewegung aus und durchziehen das ganze Ei. Sie bestehen aus ungeordneten Schwingungen yon Dotterpartikeln, die vermutlich auf die Aktivit~t r~umlieh ungeordneter, dynamischer Elemente im Ooplasma zurfickzuffihren sind. Einen ordnenden Einjlufl aber iibt die Anwesenheit von Furchunyskerneu aus: Kurz bevor eine solehe ,,Welle von Zitterbewe- gungen" bei :Furchungskernen des Metaphasestadiums eintrifft, treten n~mlieh in deren Um- gebung geordnete Schwingungen und Verlagerungen yon Dotterpartikeln auf. Sic sind radial auf die Spindelpole ausgeriehtet und beginnen bei demjenigen, den die Welle zuerst erfal]t. Diese ,,radiale Zitterbewegung" wird durch ein grofles Astersystem hervorgerufen, das jeweils yon den Spindelpolen ausgeht und distal weft in das Ooplasma zieht. Mit dem Beginn der Ver- kiirzungsprozesse innerhalb der Asterstrahlen tr i t t der Furchungskern in die Ana- und Telo- phase ein, und die Spindelpole werden auseinandergezogen. Aueh in der darauffolgenden Migrationsphase der Tochterkerne bleibt der Spindelpol als Asterzentrum der ehemaligen

30 1%. Wolf:

Spindel erhalten und bildet den Mittelpunkt sines ,,Migrationsasters '~ Seine l~ngsten Aster- strahlen messen mindestens 80 ~xm und inserieren distal sowohl an frei beweglichen als auch an elastisch aufgehgngten oder an starren Eikomponenten. 1)urch wiederlcehrende, kurzzeitige Insertionen und unkoordinierte, voriibergehende Verktirzung der Asterstrahlen wird der Kern, der eine starke Affinit/it zu seinem Asterzentrum besitzt, im Ooplasma vorwiirtsgezogen, und zwar stets in Richtung auf die jeweils noeh gr6gten kernfreien Gebiete, in denen aueh die r/iumliehe Ausdehnung des Migrationsasters am gr6gten ist. So 1/~gt sich u.a. auch die gegenseitige ,,Abstogung" der Energiden erkI/iren, die zu einer gleiehm~gigen Verteilung im Eiraum fiihrt.

Bei manchen Eiern ist es mSglich gewesen, Furchungskerne experimentell yon ihren Aster- systemen zu trennen. W~ihrend isoliert liegende Migrationsaster sich autonom, d.h. in Abwes~n- heir yon Kernen, aktiv im Eiraum ausbreiten und vielleicht sogar teilungsfghig sind, ]cdnnen asterlose Furchungskerne zuniichst nicht ~nehr wandern; sie scheinen abet in der Lage zu sein, die Bildung neuer SpindeIpole und Astersysteme zu induzieren und dann Furchungsteilungen durehzufiihren.

Die Migrationsaster aller Furehungsenergiden gehen dureh Teilung aus demjenigen Aster- system hervor, dessen Aufbau der Spermakern nach seinem Eindringen in das Ei induziert hat. Der weibliche Vorkern dagegen besitzt keinen Migrationsaster; er wird wabrscheinlich dutch 19ermanente Insertion yon Asterstrahlen des miinnlichen Kerns zu diesem hingezojen, und die Befruchtung ist eine FoIge der Affinit/it zwischen (weiblichem Vor-) Kern und Migrationsaster (des m/innlichen Kerns).

Da sich die Asterstrahlen aus den Polstrahlen des Spindelapparates ableiten lassen, ist eine Beteiligung yon Mikrotubuli an ihrem Au]bau sehr wahrscheinlich; sie mug aber noch elektronenmikroskopisch gepriift werden. M6gliche funktionelle Strukturen des Migrations- asters und ihre Beziehungen zum mitotischen Apparat werden diskutiert. 3/Iigrationsaster sind wahrscheinlich nicht nur in Anpassung an die speziellen Bedingungen der Furchung in grog- r~umigen Eisystemen entstanden, sondern sind vermutlieh auch bei der Teilung zahlreicher anderer tierischer Zellen f/ir Spindelstreckung und Auseinanderwandern der Toehterkerne yon Bedeutung.

1. Einleitung Die grol?e Mehrzahl der t ierischen Eizellen enths alle Reservestoffe, die nStig

sind, u m einen zur Nahrungsaufnahme bef&higten, selbst&ndigen Organismus auf- zubauen. Bei den meis ten hSheren Organismen sind daher die Eizellen gegeniiber den Somazellen auSerordent l ich grog. Unabh/~ngig davon, ob im Zuge der fri ihen Fu rchung bereits Differenzierungsschri t te s ta t t f inden , wird zun/~chst der Eikern mitot isch vermehr t u n d das verfiigbare Eimater ia l - - je nach Furchungsmodus mehr bzw. weniger vollst&ndig und gleichm&13ig - - un te r seinen AbkSmmlingen aufgeteilt .

Bei Insekten (Krause, 1939; Krause und Sander, 1962) erfolgen diese Prozesse im plasmodialen Zustand des Eies. Die Furchungsenergiden verteilen sieh zun~chst im Eiinneren und besiedeln dort das Ei mehr oder weniger vollsts in seiner L/ingsachse (intravitelline Furchung). Danach wandert die Mehrzahl der Energiden an die Eioberfl/~che (Pr~iblastoderm- bildung). Die weiteren Furchungsschritte verlaufen super/iziell, und erst mit dem Einwaehsen der Zellw~nde zwisehen den Kernen (Stadium des ]ungen Blastoderms) und der basalen Ab- trennung der superfiziellen Zellschicht vom Dotter-Entoplasma (zelluliires Blastoderm) gibt der kiinftige Embryo seinen plasmodialen Zustand auf.

Insbesondere bei der in t rav i t e l l inen Phase der Fu rchung des Insekteneies miJssen die Energiden w/~hrend oder zwischen den Tei lungsschr i t ten grol~e Strecken im Ooplasma zurticklegen. Die Frage, ob die Furchungsenerg iden an ihrer Wande- rung akt iv beteil igt s ind oder ob sie nur passiv yon Ooplasmas t r6mungen mitgefi ihrt werden, ist friiher schon a n h a n d des Eies yon Wachtl iel la diskut ier t worden (Wolf, 1969a). Dabei ist die Ve rmu tung ge/~uBert worden, dab die K e r nw a nde r ung auf

K~usalmechanismen der Kernbewegung. I. Der Migrationsaster 31

der kombinierten Wirkung mehrerer Mechanismen beruht: Auger der Trenn- bewegung der Toehterkerne wghrend der Anaphase mit Hilfe des Spindelappa- rated werden die Furchungslcerne auch durch grofiriiumige, im ~J'akt mit den Fur- chungsschritten pulsierende Str6mungen des ,,Zentralpla~mas " (Wolf, Krause, 1971; Wolf, 1972) passiv ]ortbewegt. Da die genannten Mechanismen aber keine hin- reichende Erkl&rung ftir die weitr~umigen Kernwanderungen bieten, wurde an die M6gliehkeit einer ,,am6boiden" Bewegung des Itofplasmas gedaeht, dad jeder Furehungskern mit sieh ftihrt. Wird jedoeh der Kern durch starkes Zentrifugieren yon seinem Pigmenthof getrennt (Wolf, 1969b), so ist er nach wie vor zur Wande- rung bef&higt; auf seinem Weg sammelt er pigmentierte Dotterschollen um sich. Eine Fortbewegung mit Hilfe der im Plasmahof des Kerns gelegenen Pigment- dotterschollen kommt also nieht in Betraeht. Stattdessen wurde ein weiterer Mechanismus vermutet, der mit dem Auftreten einer vielsehiehtig&omplexen Kernhi~lle w~hrend der Wanderphase zusammenh&ngen k6nnte. Elektronenop- tisehe Untersuehungen haben gezeigt, dag die Kernhiille zeitweise in sine Vielzahl membran6ser und tubul/irer Elemente aufgelSst ist, die in Verbindung stehen mit dem umliegenden endoplasmatisehen Retieulum und mSglieherweise eine Ver- ankerung des Furehungskerns an bestimmten Elementen des Ooplasmas anzeigen.

Ein Durehbrueh zum Verst&ndnis des Ph/~nomens der aktiven Kernwanderung gelang erstmals Hffjer (mtindl. Mitteilung, 1971 ; s. aueh Seidel, 1969). Im E i d e r Libelle Isehnura hat sie weitreiehende, aktiv verkiirzbare Systeme gefunden, in deren Zentrum jeweils ein Furehungskern liegt und deren ,,Strahlen" vom Kern aus in radialer I~ichtung in das Ooplasma ziehen. Dieses ,,Radialsystem" inseriert distal yon seinem Zentrum an Dotterschollen und vielleieht aueh am Oolemma, proximal auf bisher noeh unbekannte Weise an der Kernwgnd. Dutch Verkiirzung einzelner radialer Ausl/~ufer dieses Systems wh'd der Furehungskern im Ooplasma vorw/~rts gezogen, wobei das Radialsystem aufgrund seiner grSgeren Reiehweite in kernfreien Eiregionen einseitig hShere Zugkr&fte entwiekelt und so ftir eine gleiehm/~gige Verteilung der Kerne im Eiraum sorgt. Aronson (1971) hat im Ei des Seeigels Lytechinus Kerne experimentell yon der im Aufbau begriffenen 3{itose- spindel getrennt. Er hat festgestellt, dal3 sieh der Kern ansehliegend auf den n/iehstgelegenen Spindelpol zubewegt, und daher im Bereieh der Spindelaster ein System wirksam sein mug, das Bewegungen des Kerns hervorrufen kann.

Unabh/~ngig von diesen Befunden sind anhand yon Zeitrafferfilmaufnahmen des Eies yon Waehtliella spezifisehe Plasmabewegungen festgestellt worden, die in frtiher (und zwar mit lgmgerer Beliehtungszeit) aufgenommenen Filmen (Wolf, 1969a) nieht siehtbar gewesen sind; beliehtet man n/~mlieh die einzelnen Film- bilder 1/~nger als 3 see, so werden gewisse Bewegungsprozesse, die iiberrasehend sehnell ablaufen, nur verwischt aufgezeichnet. Dies hat sieh als Nebenbefund bei der Auswertung yon Filmaufnahmen ergeben, die wghrend und naeh lokaler UV-Bestrahlung aufgenommen worden sind, um die Kernwanderung auf spezifisehe Weise zu beeinflussen (Wolf, unverSff.). Zur Verminderung der sog. ,,Photo- geaktivierung" durfte die UV-Bestrahlung nur fiir eine kurze Beliehtungszeit (a/4 see) unterbroehen werden. Bei der Analyse dieser Filme hat sieh gezeigt, dab zu Beginn eines jeden Furehungssehrittes im Initialbereich der Furehung ( = Fur- ehungszentrum FZ) die erw~hnte rasehe Plasmabewegung einsetzt. Sie l~gt bei der verwendeten 180faehen Zeitraffung (1 B/10see) den Eindruck einer ,,Zitter-

32 R. Wolf:

bewegung" ents tehen u n d setzt sieh im einzelnen aus (seheinbar) ungeordneten , feinsten Schwingungen yon Dot te rpar t ike ln im Ooplasma zusammen.

Bei Wachtliella brei tet sich diese Bewegungsakt ivi t / t t in Fo rm einer Welle naeh allen R ich tungen im Ooplasma aus. Sobald diese Welle der Zitterbewegung einen Kern erreicht, t r i t t dieser in die Ana- u n d Te]ophase der ngchsten Furchungs- te i lung ein. I n der u n m i t t e l b a r e n Umgebung der Toehterkerne ist die geschilderte Zitterbewegung in vers tgrk tem MaB siehtbar, und zwar auch noch nach vollzogener Teilung. Besonders s tark t r i t t sie direkt vor den auseinanderweichenden Tochter- kernen auf, d.h. in dem Gebiet, das sie anschliel3end durchwandern . Diese Zitter- bewegung ist im R a h m e n der vorl iegenden Arbei t bei schw/~cherer Zei traffung un te r such t worden. Ihre Bedeutung fiir die akt ive K e r n w a n d e r u n g wird im folgenden analysiert .

2. Material and Methoden Ffir die Untersuchungen wurde der schon friiher (1969a, b, 1972) verwendete, ~uBerst

standorttreue Wachtliella-Freilandstamm aus der Umgebung yon Volkach (Main) herangezogen. Zum Filmen wurden die Eier in eine Plankton-RShrenlcammer (Zeiss) gebracht, mit Wasser fiberschichtet und dutch den Boden der Kammer hindurch mit Hilfe eines umgekehrt montierten Spezialmikroskops (s. u.) photographiert. Die mikroskopische Abbildung erfolgte auf 16 mm-Film, und zwar im Durchlicht wahlweise fiber die apochromatischen Planobjektive 40/0,95, 40/1,0 ~)l Ph and 63/1,4 01 (Zeiss), kombiniert mit einem Projektionsokular (] = 125 ram) und dem ,,Mikas"-Einstellaufsatz (Leitz) mit eingebautem Objektiv ,,1/s • ". Ffir die Aufnah- men w~hrend der frfihen Furchung erwies sich eine 9--90faehe Zeitraffung (2 B/see bzw. 1 B/5 sec) als gfinstig. Als Be]iehtungszeit wurden jeweils 1/2--2/s sec gewghlt. Die Versuchs- temperatur betrug 23=[_ I~ Da die Entwicklung der Eier bei 15~ stark verlangsamt, im fibrigen aber vSllig normal ablguft, sind zur termingerechten Gewinnung der ben6tigten Ent- wicklungsstadien Eier w/~hrend und auch nach der Ablage bei dieser Temperatur gehalten worden. Lageangaben im Ei erfolgen, wie in frfiheren Arbeiten, in % der Eiliinge (Vorderpol bei 100%, Hinterpol bei 0% ). Alle Zeitangaben gelten vonder Eiablage an.

Obwohl die feinen Bewegungsprozesse, die besonders im zentralen Ooplasma ablaufen, grunds~tzlich auch in unbehandelten Eiern zu erkennen sind, steht einer genauen Analyse die doeh recht stSrende Dicke des Eies yon 80 ~tm im Weg. Mit Hilfe eines Quetschctpparats (Abb. 1) ist es zun~ehst gelungen, die Dicke des zu durchstrahlenden Ooplasmas auf etwa 30 ~m zu reduzieren. Eine stgrkere Quetschung des gesamten Eies l~Bt die geringe Elastizitgt der Vitel- linmembran nicht zu. Einen Ausweg bietet jedoch die MSglichkeit, nur einen Teil des Eies, diesen aber extrem stark, zu quetschen (Abb. 2). Hierzu werden die Eier unter stereomikro- skopischer Beobachtung in Zweiergruppen auf einem grol3en Deckglaschen lgngsseits anein- andergereiht und mit einer dfinnen Schicht Kollidon (Bayer-Leverkusen) iiberzogen, die am nicht zu quetschenden Eiteil etwas stgrker sein mul~. Ist der Kollidonfiberzug naeh etwa 2 min getroeknet, so legt man ein kleines Deckglasstfick derart auf die Eier, dab es die zu quetsehenden Eih~lften bedeckt. Durch Wasserzugabe unter das aufgelegte Deckglasstfick wird die Kollidonschicht des bedeckten Eiteils erweieht, so dab Chorion and Vitellinmembran beim Quetschen in genfigendem Mal3 nachgeben kSnnen. Die Kollidonschicht des unbedeckten Eiteils muB einerseits so dfinn sein, dab sie sich der starken Volumenzunahme anpaBt und dab genfigend Sauerstoff zutreten kann, andererseits muB sie kr~ftig genug sein, um den Ireien Eipol festzuhalten, da sonst der extrem stark gequetsehte Eiteil unter dem aufliegenden Deck- glasstfick hervorrutscht. Eine dfinne Sehicht ,,Klebwaehs" zwisehen den beiden quetschenden Deckgl~schen h~lt diese in der gewfinsehten Distanz lest. Da in flaehgequetschte Eiteile nachtriiglich keine Furehungskerne einwandern kSnnen, muB der gequetschte Eibereieh, den das Ooplasma zu einem erheblichen Tell verlgBt, noch mindestens einen Furchungskern enthalten. Unter den Eipaaren wird eine zur Filmregistrierung geeignete Gruppe ausgesucht. Mit Hilfe dieser Methode des partiellen Quetschens kSnnen Teile des Eies bis auf eine Schiehtdieke yon 4--5 ~m zusammengepreBt werden, ohne dal3 die Kernteilung unterbunden wird. Um den Furchungskernen einerseits noch eine ausreichende Bewegungsfreiheit zu gew~hren und andererseits den bildstSrenden Dotter ober- und unterhalb des Kerns zu verdr~ngen, wurde

Kausalmechanismen der Kernbewegung. L Der Migrationsaster 33

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Abb. 2. Anordnung zum partiellen Quet- schen yon Insekteneiern. Ei und quetschende Deekgliisehen unschraffiert, Was- set schrg~g sehraffiert, Kollidon punktiert, ImmersionsS1 gestrichelt. Prgparations-

methode siehe Text

Abb. 1. Quetschapparat zum Abflachen des ganzen Eies, L~ngsschnitt. Metall schwarz, Wasser sehr~g sehraffiert, Deck- gliischen und Plexiglas unsehraffiert. Grundelement ist eine Plankton-RShren- kammer (Zeiss). Auf deren Bodengli~sehen liegt in der Mitre das Ei, darauf ein Mes- singring mit 3 aufgeklebten Deekglas- streifen (im unteren Bildteil in Aufsieht

Abb. 1 dargestellt). Dureh die Lfieken zwisehen ihnen (im Sehnittbild gestriehelt) karm Sauerstoff zutreten. Die quetschende Kraf t

wird durch eine verstellbare Spiralfeder (oben im Bild) hervorgerufen und mittels eines Plexiglasrings (teilweise yon Wasser bedeekt) auf den mittleren Deckglasstreifen fibertragen, der das Ei abflacht. Die Kraf t wirkt nieht unmittelbar auf das Ei, sondern sie verbiegt die Deekglasstreifen, die im unbelasteten Zustand einen schmalen, bikonvex geformten Raum freilassen, in dessen Mitre das Ei liegt. Die Beobaehtung erfolgt yon unten her, die (Durch-

lieht)-Beleuehtung yon oben

eine Schichtdicke von ca. 6--12 ~m bevorzugt. Trotz des methodisch bedingten Sauerstoff- mangels im gequetschten Eiteil kormte dessen Entwicklung in vielen Fallen fiber einen Zeit- raum yon 2 Std ( 3 ~ Furehungsschritte) beobachtet und gefilmt werden. Die geschilderten Befunde in gequetschten Eiern b~sieren auf der kinematisehen Auswertung der Entwicklung yon insgesamt 92 Eiern; davon sind 54 partiell gequetscht worden. Me/3daten, die aus total bzw. partidl gequetschten Eiern gewonnen worden sind und nur /i'tr diese gelten, sind ausdri~cklich als solche ge]cennzeichnet.

Bei Hellfeld-Beleuehtung zeigt das p~rtiell gequetschte Ei wegen der geringen Schicht- dicke einen ahnlich sehwachen Bildkontrast wie das unbehandelte Ei, bei dem die im Eiinneren ablaufenden Prozesse durch das darfiberliegende DottermateriM verschleiert abgebildet werden. Erst mit tIilfe lichtmikroskopiseher Interferenzverfahren ist eine kontrastreiche und kl~re Darstellung der Strukturen im gequetschten Eiteil m6glich. F fir eine optimale Anwen- dung des Phasenkontrast-Ve~']ahrens ist die Schiehtdicke des Ooplasmas noch etwas zu hoeh. Die besten Ergebnisse liefert das Verfahren des di//erentidlen 7nter/erenzkontrasts (DIK) nach Normarski. Da Mlerdings kein umgekehrtes Mikroskop mit DIK-Eim'ichtung im Handel ist, und da die handelsfiblichen umgekehrten Mikroskope wegen der optischen Aktiviti~t ihrer Umlenkprismen ffir polarisationsoptische Untersuchungen ungeeignet sind, ist ein umgebautes, altes Labormikroskop umgekehrt an einem Stativ befestigt worden. Eine erhebliche Verbesse- rung der Bildqualit~it bringt die Verwendung h6chstauflSsender Planapochromate von relativ geringer MM3stabszahl (wie oben angegeben) ; ffir ihre Anwendung ist die Zeiss'sehe DIK-Ein-

3 Wilhelm l~oux" Archly, Bd. 172

34 1~. Wolf:

riehtung in geeigneter Weise modifiziert worden (Wolf, im Druck). Da gewisse Eikompo. nenten Doppelbrechung zeigen, sind auch Aufnahmen in polarisiertem Licht unter Verwendung des Leitz'schen ,,Korrektions-Pol-Kondensors" sowie spannungsfreier Objektive durchgefiihrt worden.

Um die nur in Bewegung (d. h. w~hrend der Film-Projek~ion oder in vivo) siehtbaren Be- wegungsprozesse aueh im Standbild demonstrieren zu k6nnen, wurde die yon Gwynn und Jones (1970) angegebene Methode der ,,photographisehen Filmbild-Superposition" (cinephotographic superposition) benutzt. Projiziert man ca. 20 im Film aufeinanderfolgende Bilder naeheinander auf dasselbe Photopapier, so werden alle unbewegten Objekte seharf abgebildet, w~hrend Objekte, die yon Bild zu Bild ihre Position ~ndern, in Form eines kleinen Kurvenstiicks dargestellt werden, das zugleich Riehtung und Geschwindigkeit der Bewegung festhglt (Abb. 6).

3. Befunde

3.1. Wanderung des Spermalcern8 und Be/ruchtung

Zum friihesten Beobachtungszeitpunkt, bei unbehandelten Eiern etwa 3 min nach der Ablage, verh~lt sich das Ooplasma nahezu ruhig, abgesehen yon Brown- scher Bewegung einzelner Dotterpartikeln. Nur im zentralen Oop]asma sind, zun~chst bei 98 % der Eili~nge, feinste Dotterverschiebungen sichtbar, die der vom Vorderpol her eingedrungene Spermalcern verursacht. Im Zuge seiner ]angsamen Wanderung (ca. 7 ~m/min, im total gequetschten Ei ca. 1,4 ~m/min) entlang der L~ngsachse des Eies nach hinten finden feine Bewegungen yon Dotterpartikeln statt, die anfangs nur in der unmittelbaren Umgebung dos Kerns und sp~ter zu- s&tzlich auch in immer grSi3erer ri~umlicher Entfernung vor dem wandernden Kern erfo]gen. Sobald der m~nnliche Kern - - etwa 23 rain nach Eiablage - - ein bestimmtes Gebiet zwischen 80 und 90% der Eils erreicht, setzt yon ihm ausgehend eine ,,Welle von Zitterbewegungen" ein. Sie besteht aus kr~ftigen, ungeordneten Verlagerungen yon Dotterpartikeln und nimmt bei ihrer Wanderung jeweils einen Bereich yon ca. 10% der Eil~nge ein. Sie bewegt sich mit einer Geschwindigkeit yon 20--30 lzm/min bis zum Eihinterpol fort, ws der m~nnliche Vorkern weiterhin langsam naeh hinten wandert. Kurz nachdem die Welle der Zitterbewegung die Eimitte erreicht hat, d.h. an den l~ichtungskSrpern und am weiblichen Vorkern vorbeigewanderg ist, beginnt der letztere sich auf don m~nnlichen Vorkern zuzubewegen; beide Kerne verschmelzen bei etwa 75 % der Efls und das Synkarion setzt die Wanderbewegung des m~nnlichen Kerns in der oben gesehilderten Weise fort. Dabei samme]t sich um don Kern ein st~ndig anwachsender Pigmenthof aus orangefarbenen Proteindotterschollen. Nach dem Passieren der Welle yon Zitterbewegungen beh~lt das Ooplasma eine etwas or- h6hte Bewegungsaktiviti~t bei, die zuletzt im gesamten Ei zu beobachten ist.

Im total gequetschten Ei sind die geschi]derten Dotterbewegungen weitaus deutlicher zu erkennen. Im Bereich der Zitterbewegung, die sieh wellenf6rmig ausbreitet, sehwingen einzelne Dotterpartike]n, aber auch kleine Gruppen aus mehreren Proteindottersehollen und Fetttropfen, ungeordnet hin und her, so als warden ungleichmi~i~ig starke Kr~fte unkoordiniert auf sie einwirken. V6]]ig anders dagegen sind die Dotterbewegungen im Bereieh dos m5nnlichen Kerns. Sehon im Standbfld ist eine bevorzugt radial orientierte Aufreihung yon Dotterpartikeln in tier 5~he des Kerns angedeutet (Abb. 4b). Wie der Zeitrafferfilm zeigt, bewegen sich wShrend seiner Wanderung hauptss k]eine Dotterpartilceln, und zwar insbesondere Pigmentdotterschollen, zeitlieh unlcoordiniert zueinander, in Richtung

Kausalmechanismen der Kernbewegung. I. Der Migrationsaster 35

Abb. 3. a Unbehandeltes Wachtliella-Ei, 2--4-Kern-Stadium. Die Achse der vorderen Tei- lungsspindel liegt ausnahmsweise quer zur Eil~ngsachse; Vorderpol oben. Vergr. 200:1. b Ei im 4-Kern-Stadium, yon den Energiden schon fast in tier ganzen L~nge besiedelt, c~Tormales 8--16-Kern-Stadium mit abgeschnfirter Polzelle. d Geschnfirtes und zugleich leicht ge- quetschtes Ei, etwa im gleichen Stadium wie c; wegen des grS~eren Krflmmungsradius' ist

noch keine Polzelle am Hinterpol entstanden

des Kerns. Sie niihern sieh ibm von allen Seiten aus seiner engeren und weiteren Umgebung mit einer Geschwindigkeit yon 13--26 ~m/min, und zwar stets in etwa radialer Richtung. Ws viele Partikeln diese Bewegung eine Zeitlang (ca. 10--40 sec) durchffihren und in der kernn/~heren Position verharren~ naehdem sie einen Weg yon 3--25 ~m (meist ca. 6 y.m) zuri~ckgelegt haben, verlagern sich andere nur vorfibergehend ein kleines Stfick (ca. 4 ~m) in radialer Richtung au~ den Kern zu und nehmen anschliel~end wieder ihre Ausgangslage ein. Es scheint so, als werde vom Kern aus immer wieder kurz an verschiedenen Dotterpartikeln gezogen, die ihrerseits im Oop]asma elastiseh verankert sind. Gewisse, vorfiber- gehende Abweichungen yon der radialen Bewegungsrichtung der Dotterpartikeln sind ganz o~fensiehtlich Ausweichbewegungen, die durch grSl~ere Ansammlungen yon Fetttropfen hervorgerufen werden, welche der Wanderung im Weg stehen. Die auf den Kern ausgerichtete, rs geordnete Dotterbewegung wird im folgenden kurz ,,radiale Zitterbewegung" des Ooplasmas genannt. Sie wird yon der ,ungeordneten Zitterbewegung" (bzw. We]le yon Zitterbewegungen) unterschieden, bei der keine deutliche Vorzugsrichtung der Schwingungsebenen des Dotter- materials zu erkennen ist und die yon manchen Autoren etwas unexakt als ,,ungerichtete" Dotterschwingung bezeichnet wird.

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KausMmechanismen der Kernbewegung. I. Der Migrationsaster 37

Gelegentlich sieht man auch relativ grol3e Lipidtropfen in der geschilderten Weise radial ein Stiiok auf den Kern zustreben. Auf dieselbe Art und mit ver- gleichbarer Geschwindigkeit (ca. 13 ~am/min im total gequetschten El) Iegt der nicht sehr viel grSBere weibliehe Vorlcern seinen ca. 65 ~zm langen Weg znm mannlichen Vorkern zuriick, abet seine Wanderung wird nicht unterbroehen und endet erst mit der Bildung des Syn]carion8. Wahrend seiner Wanderung schiebt er I)otter- material, das ihm im Weg liegt, auf die Seite und weieht ihm gelegentlich such ein kleines Stiiek aus, ohne dag in seiner Nahe eine erkennbare PlasmastrSmung stattfindet.

I m extrem starlc (d.h. partiell) gequetsehten Ei lagt sieh mit Hilfe des I ) IK- Verfahrens der Spermalcern schon wenige Minuten nach seinem Eindringen gut darstellen. Er ist jedoch in seiner Bewegungsfahigkeit stark eingeengt und kann sich nieht mit dem weiblichen Vorkern vereinigen. Dies fiihrt zu einem often- sichtlich gest6rten VerhMten, namlieh zu einer Teilung des mannlichen Kerns. Sie lauft wie eine Furchungsteilung ab (s. 3.2), nur sind die Ausmage des Spindel- apparates in diesem Fall kleiner. Wahrend die Tochterkerne auseinanderwandern, linden in ihrer unmit telbaren Umgebung radiale Zitterbewegungen start. Eine ~Telle yon Zitterbewegungen ist nicht beobachtet worden.

3.2. Furehungsbeginn und aktive Ausbreitung der Energiden

Hat das Synkarion das Metaphasestadium erreicht, einen Zustand nahezu v611iger Ruhe, so besteht das erste Anzeichen ftir das Einsetzen der 1. Furchungs- teilung - - etwa 55 min nach Eiablage - - bei unbehandelten Eiern in einer radialen Zitterbewegung im Synlcarionbereich. Von dort breitet sieh eine weitere Welle un- geordneterZitterbewegungen mit einer Geschwindigkeit yon wiederum 20--30 ~zm/min nach allen Richtungen im Ei aus und kann oft bis zum Hinterpol verfolgt werden. Auch alle weiteren intravitellinen und mindestens auch die ersten superfiziellen Furchungsschritte werden durch eine solche Zitterbewegung, die sich wellenfSrmig ausbreitet, eingeleitet. Sie 8etzt regelm~i/3ig in der Umgebung eines Furehungskerns ein, und zwar des]enigen, weleher dem Initialbereich der Furchung (Mittelwert 60 %, Streubereich zwischen 45 und 70 % der Eilgnge) am niichsten liegt. Jedesmal, wenn die Welle der Zitterbewegung einen Furchungskern erreicht, t r i t t in dessen Um- gebung eine radiale Zitterbewegung anti Sie halt an, wahrend sich Ana- und Telophase sowie das Auseinanderweichen der Tochterkerne vollziehen. Ruhe- phasen und Wellen ungeordneter Zitterbewegung wechseln einander auch in gequetschten, kernlosen Eiteilen nnd selbst in unbesamten, unbehandelten Eiern ab, es finden dort jedoch keine radialen Zitterbewegungen start.

In gequetsehten Eiern t reten eine gewisse allgemeine EntwicklungsverzSgerung (Zeitfaktor, bezogen auf die Dauer der Furchungsschritte, 2--3real bei totMer bzw. 1,5--2mM bei partie]ler Quetschung) sowie ein starker ausgepragter Mitose- gradient auf. Hierdurch werden der Initialbereich der Zitterwelle sowie die Teilung der Furchungskerne in sehr aufschlui3reicher Weise abgewandelt. In total gequetschten Eiern kann namlich die We]le ungeordneter Zitterbewegung, die bei jedem Furchungsschrit t ablauft, regehnai~ig in kern/reien Teilen des zentralen Ooplasmas beginnen, nnd zwar dann entweder in der N/~he des Vorderpols (bei 94 ~: 4% ) und/oder im hinteren Eiviertel (bei 1 0 - / 5 % ). I)er Initialbereieh der Welle yon

38 1%. Wolf :

Zitterbewegungen kann also experimentell verlagert und sogar in zwei voneinander unabMingige Initialbereiche au/gespalten werden, die vorne und hinten im Ei liegen; im letztgenannten Fall wandern die beiden Wellen, die bei jedem Fur- chungsschritt yon den polaren Initialbereichen ausgehen, aufeinander zu. I)abei durchziehen sie allm~hlich den ganzen Eiraum und kommen erst bei ihrer Begeg- hung etwa in der Eimitte zum Stillstand. Hat die ungeordnete Zitterbewegung nur am Vorderpol eingesetzt, so beginnt fast gleichzeitig die radiale Zitterbewegung in der Umgebung des unweit davon (meist bei 75 %) gelegenen, vordersten Fur- chungskerns. Nun weicht infolge der abgeflachten Eiform und der hierdurch bedingten leichten Behinderung der Kernwanderung das Verteilungsmuster der Furchungskerne yon dem unbehandelter Eier ab ; Mitosespindeln der ersten beiden Furchungsteilungen stehen oft nicht mehr parallel zur Eil~ngsachse. Liegen sie quer, so setzt die radiale Zitterbewegung in dem Ooplasma, das den betreffenden Kern umgibt, einheitlich ein. Liegt die Mitosespindel dagegen parallel zur Liings- achse, so zeigt bei ein und demselben Furchungskern der Bereich um den welter vorne im Ei gelegenen Spindelpol (ira total gequetschten El) ]cnapp 4 rain/riCher radiale Zitterbewegungen als die Umgebang des nach hinten weisenden Spindelpols. Auch bei Kernen, die besonders welt yon der L/~ngsachse des Eies entfernt liegen, beginnt im Bereich des distalen Spindelpols die radiale Zitterbewegung versp/~tet.

Bei den Furchungsenergiden unbehandelter, besonders aber gequetschter Eier sind, noch deutlicher als beim Spermakern, die Bewegungsprozesse zu erkennen, die mit der Kernwanderung einhergehen. Zu Beginn der Anaphase setzert in unmittelbarer Umgebung der Spindelpole radial ausgerichtete Verlagerungen yon Dotterpartikeln ein, und die bereits geschilderte Welle ungeordneter Zitterbewe- gung breitet sich im Ooplasma aus. Zugleich halten die radialen Schwingungen bzw. Bewegungen yon Dotterpartikeln (s. 3.1) an, bis die entstandenen Tochter- kerne kurz vor der n/~chstfolgenden Furchungsteilung stehen. Bei der Wanderung fiihrt jede Tochterenergide in ihrer nahen Umgebung den Pigmenthof sowie dotterhaltiges Ooplasma mit sich. Gleichzeitig bewegen sich, wie schon bei der Wanderung des]Spermakerns, mit relativ hoher Geschwindigkeit (13--26 ~m/min) zahlreiche Pigmentdotterschollen oder auch gr6Bere Gruppen yon Dotterpartikeln mit Fet t t ropfen radial auf die langsam (mit ca. 8 ~m/min, im total gequetschten Ei mit ca. 1,4 ~m/min) wandernde Energide zu. Ab und zu sieht man hinterein- andergereihte Pigmentdotterschollen, die sich dem Kern unter Beibehaltung ihres Abstandes zueinander, d.h. auf derselben Bahn und mit gleicher Geschwindigkeit, n/~hern. Dies weist darauf hin, dal~ zwischen ihnen eine lichtmikroskopisch nicht sichtbare Verbindung besteht. In dem Gebiet zwischen Tochterkernen, die yon versehiedenen Energiden abstammen (se]ten zwischen Geschwisterkernen), werden Pigmentschollen oder auch Gruppen yon Dotterpartikeln abwechselnd ein Stiick radial zu dem einen und zu dem anderen Kern hin bewegt. W/~hrend der Kern- wanderung scheinen Phasen mit h6herer und Phasen mit geringerer Bahngeschwin- digkeit der dem Kern radial zustrebenden Dotterpartikeln einander abzuweehseln. Aueh die Wandergeschwindigkeit der Kerne kann sehwanken; eine Korrelation zwisehen den Gesehwindigkeiten yon Dotterpartikeln und Kernen wurde bisher nieht festgestellt.

Das Verteilung~muster der Energiden folgt der Regel, dub die Wanderung s'tets au/ die jeweils noch grS[3ten kern/reien Eibereiche bin gerichtet ist, in denen auch die

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40 R. Wolf:

rdiumliche Ausdehnung der Gebiete, die eine radiale Zitterbewegung zeigen, am grSflten ist; die Energiden werden also w/~hrend der friihen Furchung gleichm/il3ig im Eiraum verteilt.

Anhand der Filmaufnahraen yon partiell gequetschten Eiern hat sich gezeigt, daI~ nicht der wandernde Kern das Zentrum der radialen Partikelnbewegung ist, sondern zuniichst der Spindelpol, der, nach dera Abbau der Spindel w/~hrend der Anaphase, als Asterzentrum der ehemaligen Spindel erhalten bleibt. Die radiMe Reihung feiner Dotterpart ikeln 1/tilt, besonders in Kernn/~he, lange Zeit naeh der Furchungsteilung noch die Asterstrahlen des ehemMigen Spindelpols deutlich erkennen (Abb. 5 c, 9 c, d), der Ms Zentrura des radiMen Systems yon ganz beson- deter Bedeutung sein muG. Ers t w/~hrend der spgten Prophase der n/s Furchungsteilung lSst sich das Astersystem, dessen Durchraesser das 6fache yon dem des Spindelapparates iibersteigen kann, weitgehend auf und wird an den kiinftigen Spindelpolen wieder hen aufgebaut und/oder ausgerichtet. W/thrend der Bildung der beiden Spindelpole sind die Asterstrahlen gar nicht oder nur sehr undeuttich zu erkennen; entsprechend linden radiMe Dotterverlagernngen nur in sehr beschr~nktem Mal~ statt . Auch w/~hrend der Metaphase sieht man in gequetschten Eiern vereinzelt noch Partikeln, die sich radial auf eines der beiden Asterzentren des Metaphasekerns zubewegen.

Die Ergebnisse der FilmanMyse yon partiell gequetschten Eiern erh~rten die Verrautung, die sich schon aus Untersuchungen der Sperraakernwanderung in totM gequetschten EiGrn (s. 3.1) ergeben hat, ni~mlich dal~ bei der Kernwanderung ein Zugmechanismus in Kraf t tri t t . Mit Hilfe der DIK-Technik sind die Bewegungen der Dotterpart ikeln sowohl im Zeitrafferfilra als auch bei direkter Beobachtung besonders deutlich zu sehen. WiG schon bei der Spermakernwanderung bewegt sich auch w/ihrend der Wanderung der Energiden fiir jeweils 10--40 sec ein Tell der Dotterpart ikeln effektiv und ein anderer nur voriibergehend radial ein Stiick auf den eheraaligen Spindelpol zu. Ganz offensichtlich wird yore Asterzentrura her auf nah und auch welter entfernt gelegene Dotterpart ikeln ein Zug ausgeiibt. Diese scheinen ira Ooplasraa elastisch, und zwar mehr oder weniger lest verankert zu sein, da ein Teil yon ihnen anschliel~end wieder in seine Ausgangsposition zu- rfickkehrt. Gegen die Vorstellung, dM~ es sich lediglich um radial ausgerichtete, lokMe StrSmungsprozesse innerhMb des 0oplasraas handelt, spricht die Tatsache, dal~ sehr hi~ufig nur einzeIne Dotterpart ikeln in radiale l~ichtung verlagert werden.

Das Vorhandensein eines Zugmechanismus zwisehen dem Asterzentrum und den sich heranbewegenden Dotterpartikeln, und darait der Ablauf yon aktiven Ver- ki~rzungsprozessen innerhalb der Asterstrahlen, wird durch weitere Befunde an total gequetschten Eiern best&tigt: Durch die friiher einsetzenden radialen Bewegungs- prozesse im Bereich desjenigen Tochterasters, der n/~her beira InitiMbereich der Wellen yon Zitterbewegungen (s. o.) liegt, wird der sich teilende Kern durch den einseitigen Zug als Ganzes Gin Stiick auf diesen Initialbereich zu bewegt, und erst rait der Aktivierung des anderen Tochterasters ]iegt wieder etwa ein Gleichge- wicht der Kr/~fte vor; der Kern bleibt stehen, seine Teilung wird vollends durchgefiihrt, und beide Tochterkerne sowie deren Astersysteme wandern auseinander. Auch die Tatsache, daG Dotterpart ikeln auf den Kern zubewegt werden k6nnen, die bis zu 80 ~ra yon ihra entfernt, und zwar dicht unter dem Ooleraraa ]iegen,

Kausalmeehanismen der Kernbewegung. I. Der Migrationsasber 41

Abb. 7. a Sp/~tes 4-Kern-Stadium; infolge des partiellen Quetschens hat der hinterste Kern (K) seine beiden Toehteraster (MA) verloren, b Der Kern hat die Bildung neuer Astersysteme induziert und befindet sich in Teilung (Rautenform !), w~hrend die isoliert liegenden Migra- tionsaster, die im Filmbild eindeutig identifizierbar sind, sich autonom fortbewegen. Vergr.

400:1

l~13t sich kaum anders als durch die Annahme einer Verbindung zwischen Aster- zentrum und Dotterparti/seln erkl~ren, die Zugkr~fte iibertr~gt.

Auch innerhalb yon passiv strSmendem Ooplasma k6nnen Bewegungen yon Dotterpart ikeln stattfinden, die - - abweiehend yon der Str6mungsrichtung des umgebenden Ooplasmas - - radial auf den Asterpol eines Furchungskerns ausge- richter sind. GroBr/tumige, passive OoplasmastrSmungen finden oft in partiell gequetschten Eiern stat t ; wenn n~mlieh ]nfolge yon Wasserverdunstung die Adh~sionskr~fte zwischen den quetschenden Deckgl/~schen langsam zunehmen, erh6ht sJch der Grad der Quetschung, und es wird weiteres Ooplasma verdr/~ngt. Obwohl sich dieses oft mi t einer Geschwindigkeit yon etwa 8 ~m/min aus dem gequetschten Eiteil herausbewegt, sieht man in dem Plasmastrom Dotterpartikeln, die pl6tzlich fiir eine gewisse Zeit (ca. l0 sec) ein Stfick auf den Furehungskern zuwandern und sieh anschlieBend wieder, der Mlgemeinen Plasmastr6mung fol- gend, veto Kern entfernen. Die von dem Aster des Furchungskerns ausgehenden Zug/cr4fle wit/sen also nut eine begrenzte Zeit au] die Dotterl)artilceln ein. Nur selten werden zusammen mit dem Ooplasma auch die Furchungskerne verdr~ngt, da sie infolge des Quetschens etwas flachgedriiekt und daher festgehalten werden. Trotz des entgegenstr6menden Ooplasmas kSnnen sie sogar tiefer in das Polgebiet einwandern. Nicht verdriingt werden Ooplasmabereiehe, die dutch eingewaehsene Zellwiinde tei]weise oder v611ig abgetrennt worden sind (Abb. 8, s. 3.3) ; das Oop]asma in der Umgebung von Oolemmaeinfaltungen verh~lt sieh aul3erordentlich starr. Es sind dort aueh weder ungeordnete noeh radial ausgerichtete Dotter- bewegungen gefunden worden.

42 R. Wolf :

W/ ih rend im typ i sehen Fa l l der H S c h s t a b s t a n d zwischen As te r sys t em und zugehSrigem K e r n den Be t rag von 10 ~m n ich t i iberschre i te t , s ind in einigen wenigen ( insgesamt 6) E ie rn infolge der Quetsehung Astersysteme yon ihren Furehungskernen getrennt worden (Abb. 7). Die isoliert liegenden Astersysteme bewegen sich au] dieselbe Art im Ooplasma ]oft wie solche, die an einen Kern gebunden sind. Aufgrund der b isher igen F i l m a n a l y s e n wi rd ve rmu te t , dal~ sie sogar aueh Teilungen durc l~ i ih ren kSnnen. I n e inem Fa l l scheint eine solehe Tei lung an der Eioberfl~Lehe s t a t t zu f inden ; u n m i t t e l b a r danaeh s t i i lp t sich vor i ibergehend eine Ze l lwand zwischen den Toeh te ras t e rn in das Ei innere ein (vgl. 3.3). Asterlose Furchungskerne bleiben zuniichst ruhig am Oft liegen. N u r in e inem Fa l l haben die Zei t raf fer f i lme Riieksehlfisse auf das wei tere Verha l t en eines solehen Kerns zu- gelassen. E r i s t ]i~hig gewesen sieh zu teilen, wobei an den Spindelpolen radiale Zitterbewegungen au[getreten sind. Aster lose Fu rehungske rne hal ten , ebenso wie an As t e r sys t eme gebundene Kerne , exper imente l l e rzeugten pass iven Ooplasma- s t rSmungen s tand, da sie be im Quetschen an die Eihfi]le angedrf iek t werden (s. o.). Isoliert liegende Astersysteme dagegen werden yon solchen S t rSmungen ]ortge- tragen. Eine Wiedervere in igung m i t dem K e r n is t nicht beobach te t worden.

Beobachtet man unbehandelte oder gequetschte Eier im polarisierten Licht zwischen ge- kreuzten Polarisatoren, so 1euehten viele Dotterpartikeln unabh~ngig voneinander ftir eine meist kurze Zeit (1/10~/t sec, manchmal auch in der GrS[tenordnung von Minuten) hell auf. Die Ursache hierfiir liegt darin, dab doppelbrechende Proteindotterschollen sich s19ontan drehen und damit auch die Richtung ihrer optischen Achse ver~ndert wird. Da diese Dotterpartikel- drehungen in ~bsterbenden und besonders in toten Eiern in sehr verst~rktem Mal~ ablaufen, werden sie wohl nicht aktiv verursacht, sondern spiegeln im wesentliehen nur eine ungeordnete Brown'sche Bewegung wider, die in lebendem Ooplasma infolge der hSheren Viskosit~t be- senders stark ged~mpft ist. In unmittelbarer Umgebung der Kernhiille ist die Bewegungs- aktivit~t doppelbrechender Proteindotterschollen etwas erhSht. Eine Doppelbreehung tier A~terstrahlen sowie des Spindelapparates konnte - - selbst in dotterfreien Regionen - - nicht nachgewiesen werden.

Das Verhalten der Chromosomen l~l]t sich am besten mit Hilfe der Phasenkontrasttechnik darstellen. W~hrend der frfihen Prophase inseriert zumindest Gin Tell der relativ langen Chromosomen mit einem Ende an der Kernwand. Ihre Bewegungen im Kernraum, ihre Kon- densation sowie Wanderung und Einordnung in dig Aquatorialebene sind deutlich zu erkennen. Sehon w~hrend der Anaphase l~l~t ihr Kontrast im Bild stark nach, so dal~ die Chromosomen nicht mehr individuell zu unterseheiden sind. Auch die Chromosomenelimination, die bei den somatischen Kernen w~hrend der 4. Furchungsteilung stattfindet (Geyer-Duszyaska, 1959), ist im Leben aus deln genannten Grund nur andeutungsweise zu sehen. Heteropeza (B~rlocher, 1971) zeigt sie vergleiehsweise wesentlich deutlieher, d~ ihre Chromosomen die Anaphase im vSllig kondensierten Zustand durchzuffihren scheinen.

3.3. Einwanderung der Energiden in den Eihinterpol und Polzellenbildung

Nach der 3. Furchungs te f lung wande r t der h in ters te , 8. ( ~ genera t ive) Fur - chungskern in den Hin te rpo lbe re i ch des Eies ein. Schon einen Fu rchungssch r i t t f r i iher haben leichte, ungleichm~tBige Bewegungen des Polplasmas (einsch]ieBlich des da r in en tha l t enen Oosommater ia l s ) angezeigt , dab das rad ia le Sys tem des 4. Fu rchungske rns in d iesem Gebie t inser ie r t und Zugkrii/te aust ibt . F i lmauf - n a h m e n par t i e l l geque t sch te r E ie r zeigen, dab auch jensei ts des Po lp lasmas D o t t e r p a r t i k e l n , die in dem schmalen Bereieh zwischen Oolemma und Po lp l a sma ]iegen, Schwingungsbewegungen ausffihren. Diese s ind r ad ia l auf den K e r n ausge- r ichter , j edoch wandert kein Dottermaterial in das Polplasma ein. Rad ia l e Schwin-

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44 R. Wolf :

gungsbewegungen fiihren auch vereinzelte Dotterschollen aus, die manchmal innerhalb des Polplasmas anzutreffen sind, und selbst am Oolemma des Hinterpols wird gezogen, was sich aus seinen ungleiehms fast ruekartigen Bewegungen ablesen 1/~gt. Das radiale System, das vom hintersten Furchungskern ausgeht, inseriert also aueh innerhalb des Polplasmas und durchzieht dieses bis bin zur Eiober- [liiche. Das ist aueh zu erwarten, da in unbehandelten Eiern der 8. Furchungslcern dutch das Polplasma hindureh bis dieht unter das Oolemma wandert, bevor sich die Polze]le abzuschniiren beginnt. In sehr seltenen F/tHen ist bei ungequetsehten Eiern beobachtet worden, dag sich das Polplasma dem 8. Furehungskern ws dessen Einwanderung in den Hinterpol um einen Betrag bis zu 6 % der Eil/~nge entgegenbewegt. In diesen Ausnahmefi~llen scheint das Polplasma nicht lest genug im umgebenden Ooplasma verankert gewesen zu sein.

W/~hrend eine Plasmadurehschniirung, d.h. die Bi]dung yon Zellw/tnden, im unbehande]ten Ei erst im 8--16-Kern-Stadium erfolgt (n/~mlich bei der Po]ze]l- bildung), wird im total gequetschten Ei sehon im friihen 2-Kern-Stadinm hgufig das Ooplasma/ast vollstiindig durchgeschni~rt, w/~hrend die Tochterkerne auseinanderwandern (Abb. 4d). Zugleich hebt sich das Ooplasma zusammen mit dem Oolemma im Bereich der einwachsenden Zellwand yon der Eihiille ab. Die Zell- w/tnde werden aber bald darauf wieder zuriiekgebildet, das Ooplasma schmiegt sich wieder an die Eihiille an, and das Ei beh/~lt den plasmodialen Zustand bei. Auch bei den nachfolgenden intravitellinen Furehungssehritten waehsen oft, abweichend yon der normalen Entwicklung, voriibergehend Zellw~nde zwischen den auseinanderwandernden Tochterkernen ein.

Alle Ein]altungen des Oolemmas gehen gleiehmiifiig und ]continuierlich vor sich. In Filmaufnahmen, die mit Hilfe der DIK-Technik an partiell gequetschten Eiern hergestellt worden sind, zeigt das Ooplasma unmit telbar am tiefsten Punkt der Oolemmaeinfaltung einen etwas h6heren Kontras t (Abb. 9c), sofern nicht um- liegender Dotter die dargestel]ten Kontrastverh~ltnisse st6rt. An dieser Stelle mug ein gewisser Gradient der optischen Diehte vorliegen. Auffgllig ist die Starr- heit des Ooplasmas im Nahbereich einwachsender und bereits eingewaehsener Zell- w~nde: Die Oolemmaeinfa]tungen halten vorbeiziehenden kr/~ftigen 0oplasma- strSmungen (s. 3.2) ohne sichtbare Veri~nderungen stand.

Die Absehni~rung der Polzelle setzt in nnbehandelten Eiern unmittelbar nach dem Einwandern des hintersten, achten Furchungskerns ein. Vor dem Gebiet der kiinftigen Polzelle wachsen sowohl im unbehandelten (Wolf, 1969 a) wie aueh im gequetsehten Ei an mehreren Stellen Zellwi~nde in das Ooplasma ein (Abb. 8). In gequetschten Eiern bleiben in der Folgezeit meist alle diese Zellw~nde erhalten, in unbehandelten dagegen nut die hinterste Wand; sie wird in allen Fgllen zur definitiven Zellgrenze zwisehen Polzelle und Ooplasmodium, bleibt abet bis zur 4. Furchungsteilung zentral noch offen. Erst die beiden nach dieser Teilung entstandenen Toehterpolzellen werden v611ig yore iibrigen Eimaterial abgetrennt. Bei der Teilung der Polzelle wird wghrend der Zelldurehschniirung, die einseitig yore Hinterpol aus erfolgt (Abb. 9 c, d), das Oolemma im Bereich der einwachsenden Zellgrenze nicht neu synthetisiert; vielmehr wird es - - wie mitbewegte, kleine nattirliehe ?r sowie innen angrenzendes Dot te rmater ia l erkennen lassen - - einfach zwischen den beiden kiinftigen Polzellen eingestglpt und danaeh mit einer Gesehwindigkeit yon ca. 2 ~m/min weiter naeh vorne gezogen. Bei der

KausMmeohanismen der Kernbewegung. I. Der ~igrationsaster 45

Entstehung derjenigen Zellw~tnde, die vor den Polzellen zahlreiehe Plasmataschen abgrenzen (Abb. 8), ist eine solche Oolemm~verlagerung nicht sichtbar. M6glicher- weise finder hier also eine Neusynthese yon Zellwandmaterial start. Letztere mul~ auch bei der Durchschniirung der Polzelle wegen der damit verbundenen Ober- flachenvergr6gerung beteiligt sein.

Auch wenn der Eihinterpol, wie z.B. in unbesamten Eiern, nicht yon Kernen besiedelt wird, so hat er doch die Tendenz, Polze!len zu bilden, was sich zur entsprechenden Zeit in der Abschniirung mehrerer, kleiner Plasmaprotrusionen manifestiert. In partiell gequetschten Eiern ist das Hinterpolplasma in Abwesenheit yon Furchungskernen sogar zur Abschnfirung einer gro/3en, kernlosen ,,Polzelle" f~hig, die sich in der gleichen Weise teilen kann wie der Plasma- kSrper kernhaltiger Polzellen (s. o.). Ira Verlauf der friihen Furchung werden nach starker partieller Quetschung zahlreiche diinne, undutierende Grundplasma-Protrusionen (Abb. 5, 8) in den perivitellinen Raum vorgestreckt, die stiindig umgeb~ut werden. In die grSfleren der bruchsackartig entstehenden Protrusionen kann auch Dotterm~terial einfliegen. Die Bewegung der Plasmaausstiilpungen hi~lt auch dann noch unvermindert stark an, wenn die Eientwicklung infolge Sauerstoffmangels nahezu zum Erliegen gekommen ist. Weicht das Ooplasma aus dem gequetschten Eiteil zurfick, so werden die Protrusionen oft zu ~ugerst diinnen Fgden ausge- zogen, die bis zu 50 lzm lung sind. Fulls ihr distales Ende nicht mehr an der Vitellinmembran inseriert, bewegt es sich frei im perivitellinen Ruum hin und her.

Im 16--32-Kern-Stadium unbehandelter Eier wandern die Furchungsener- giden, w~hrend in ihrer Umgebung die bekannte radiale Zitterbewegung auftritt, iiberwiegend an die Eioberfl~che. Ira Verlauf der super/iziellen Furchung werden die zwischen den Kernen eingewachsenen Zellw&nde, die zuns ungleiehmgBig geformt sind, mehrfach gbgebaut - - ngmHch wghrend der Kernteflung - - und danach jeweils wieder in entsprechend hSherer Zahl aufgebaut. Je diehter die Ei- oberfl~tche yon Bl~stodermkernen besiedelt wird, d.h. je mehr Zellw&nde einw~ch- sen, desto starrer wird das i~uBere Oopl~sma: Die pulsierenden Ooplasmabewe- gungen, die zuvor in,,Zentral"- und,,Marginalplasma" (Definition s. Wolf, Krause, 1971) stattgefunden huben, werden zusehends schwg, cher. Aueh total gequetschte Eier k6nnen das Stadium des zelluliiren Blastoderms erreichen, besitzen aber wohl wegen der verlangsamten Kernausbreitung und infolgedessen versp~teten Pol- zellbildung ,,somatische Polzellen" mit dem somatischen Chromosomensatz (vgl. Geyer-Duszynska, 1959). Selbst die Bildung des Keimstrei/s findet noch statt, wenn aueh seine Gestaltungsbewegungen infolge der erschwerten Materi~lver- lagerung gestSrt sind.

4. Diskussion

4.1. Alctive Kernwanderung mit Hil/e des Migrationsasters

Den Zeitrafferfilmen zufolge bewegen sieh im Ei yon Waehtliella die Kerne mit Hilfe eines Systems fort, das im Prinzip dem yon Hujer (mtind]. Mitt., 1971) bei Ischnura gefundenen ,,RadiMsystem '~ zu gleichen scheint. Sein Zentrum ist ~edoch nicht der Furehungsl~ern, wie es Hujer geschildert hat, sondern vielmehr der ehe- malige Spindelpol (s. 3.2). Aufgrund der hier vorgelegten Befunde darf das,, Radial- system" als eine star]~ erweiterte ,,Asterstrahlung" au/ge/afit werden, die yon diesem Pol aus welt in das umgebende Ooplasma zieht und die FShiglceit besitzt, sieh alctiv zu verl~i~rzen. Dieses System, das den Kern zu einer aktiven Wanderung befghigt, soll daher im folgenden ,,Migrationsaster" genannt werden. Die Asterstrahlen, die ffir den mitotischen Verteilungsmechanismus der Chromosomen grundsgtzlich entbehrlich sind (Dietz, 1969), haben eine fiir den Furchungsablauf unabdingbare

46 1%. Wolf :

Aufgabe, n/~mlich die Verteilung der Tochterenergiden in dem - - relativ zu normalen Zellen extrem grogen - - Raum der Eizelle durehzuffihren. Der Kausal- meehanismus der Kernbewegung soll im folgenden analysiert und diskutiert werden.

Aus dem Verhalten yon Kernen und Dotterpart ikeln (s. 3.2) kann man unmit telbar auf eine mechanische Verbindung zwisehen beiden sehliegen, die die F/~higkeit besitzen mug, sieh aktiv zu verki~rzen. Zumindest im Hinterpolbereieh muB das vom Kern ansgehende, verkiirzbare System bis hin zum Oolemma ziehen (s. 3.3). Die vom Migrationsaster verursaehten Dotterbewegungen, die aueh in (passiv) str6mendem Ooplasma zeitweise radial auf den Kern ausgerichtet sind (s. 3.2), zeigen, dab die Asterstrahlen nur vorfibergehend an den Dotterpart ikeln angreifen. Sie werden also innerhalb yon kurzer Zeit immer wieder umgebaut und kSnnen daher weit in 8trgmendes Ooplasma hineingrei/en, ohne dessen Bewegung merklich zu hemmen. Jewei]s vor einer Migrationsphase, vielleieht abet auch zwisehen den einzelnen Verkfirzungsprozessen der Asterstrahlen, mfissen Phasen der Verliingerung bzw. des Neuau]baues yon Asterstrahlen ablaufen, die nieht yon Bewegungen lichtmikroskopisch siehtbarer Partikeln begleitet werden und auf deren Vorhandensein nur indirekt geschlossen werden kann.

Der Begriff ,,Kontraktion" wird bei der Beschreibung der Asterstrahlenver- kiirzung bewuBt vermieden, da noch nichts Endgfiltiges fiber den Verkfirzungs- mechanismns bekannt ist. Wenn im Rahmen dieser Arbeit yon einer ,, Ver]ci~rzung" der Asterstrahlen gesprochen wird, so soll damit nicht einer Entscheidung der Frage vorgegriffen werden, ob die Ver~iirzung den Asterstrahl als Ganzes oder ob sie nut eines seiner m6glichen Teilsysteme betrif/t (s. 4.2).

Wie kann es mit Hi]fe dieses Astersystems zu einer Fortbewegung der Energiden im Ooplasma kommen ? Es w/~re denkbar, dal3 sieh der Kern in entsprechendem MaB im Ooplasma vorwgrts bewegt, wie er Dotterpart ikeln zu sich heranzieht. Eine Korrelation zwischen Zahl und Bahngeschwindigkeit der radial auf den Kern zustrebenden Dotterpart ikeln einerseits und der Wandergeschwindigkeit der Energide andererseits (s. 3.2) ist jedoch nieht gefunden worden und ist aus folgendem Grund aueh nieht zu erwarten: Die Asterstrahlen inserieren distal sowohl an Dotterpartikeln, die im Ooplasma leicht beweglich sind und infolgedessen ein Stfiek auf den Kern znwandern, als aueh an elastisch au/gehiingten Partikeln, die - - losgelassen - - wieder in ihre Ausgangsposition zuriickkehren (s. 3.1). I m letztgenannten Fall sind die Zugkr~fte ent]ang den Asterstrahlen sicherlich gr6Ber und ru/en daher eine entsprechend gr6]3ere Gegenkra/t hervor, die am Asterzentrum ansetzt und die Fortbewegung des Astersystems und des damit verbundenen Kerns bewirkt. Noch gr61~ere Zugkrs dfirfte jedoch die Insertion yon Asterstrah]en an relativ unbeweglichen Eikomponenten hervorrufen, was sich allerdings der kinematischen Analyse naturgemgB weitgehend entzieht. In Frage kommen hier z.B. Insertionen an Fettdottergruppen, die h/~ufig ein recht starres Netzwerk miteinander zu bilden scheinen, sowie am Oolemma oder am Polplasma (s. 3.3). Dotterpartikeln, die auf das Asterzentrum zuwandern, leisten also wohl den ge- ringsten Beitrag ffir die Kernwanderung; die kinematiseh au/fgllige radiale Be- wegung der Dotterparti]celn, die infolge der Verkfirzungsprozesse der Asterstrahlen auftr i t t und die zu einer Vergr6Berung des Pigmenthofes fiihrt, steht daher wahrseheinlieh nut in nebensiichlichem Zusammenhang mit der alctiven Kernwanderung.

K~usMmech~nismen der Kernbewegung. I. Der Migrutionsaster 47

Damit bei der Fortbewegung des Migrations~sters der zugeh6rige Kern mit- transportiert wird, muf~ zwischen beiden Systemen eine ausreichende A//initiit herrschen (s. 4.2). Fiir eine solche Affinitat sprieht die Tatsache, dal~ sich auch in extrem stark gequetschten Eiteilen der Migrationsaster in der Regel nicht yon dem zugeh6rigen Kern 15st.

Uber die Bedeutung des Asterzentrums (= , ,Kine tozen t rum" , Grundmann, 1971) haben sich wichtige Hinweise ergeben. In kernfreien Ooplasmagebieten finden aul~erhalb der Reichweite yon Asterstrahlen zwar kraftige, abet stets ungeordnete Dotterschwingungen stat t (s. 3.2). Fiir diese Dotterbewegungen miissen dynamische Elemente verantwortlich sein, die nicht yon den Furchungskernen geliefert werden, sondern die iiberall im Ooplasma synthetisiert und/oder aktiviert werden. In der n5heren and weiteren Umgebung yon Kernen aber sind die Dotter- bewegungen streng geordnet. Die dynamischen Elemente sind hier radial auf den Kern oder vielmehr auf den ehemaligen Spinde]pol ausgeriehtet, der damit zum Zentrum des Migrationsasters geworden ist. Der Spindelpol und damit letzten Endes - - Jails vorhanden - - wohl das Centriol, in dessen Umgebung die radial aus- gerichteten Materialbewegungen immer zuerst ablau/en, i~bt also einen ordnenden Ein/lufl au/ die dynamischen Elemente aus, die ungeordnet i'tberall im Ooplasma ver/~gbar sein mi~ssen.

Die Frage naeh den Wechselbeziehungen zwischen Asterstrahlen, Asterzentrum nnd Furchungskern la2t sich klaren, wenn man eine der Komponenten experimentell ausschaltet, oder wenn das Astersystem veto Kern getrennt wird. Versuche, das Asterzentrum durch einen feinen UV-Strahl auszuschalten, kSnnten seine m6gliche Bedeutung als Organisationszentrum fiir das Astersystem, und damit fiir die aktive Kernwanderung, klaren. Aus den vorge]egten Befunden (s. 3.2) geht schon jetzt hervor, dab auch isoliert liegende Migrationsaster zu al~tiver Fort- bewegung und vielleicht auch zu Teilungen be]iihigt sind und daher weitgehend autonome Systeme darstellen. Ihr Verhalten scheint durch das Fehlen des Kerns wenig beeinflul~t zu werden. Asterlose Furehungs~erne haben ihre Wander/~ihig/~eit verloren und bleiben daher zunachst ruhig am Ort liegen; sie scheinen abet - - sofern die in einem Einzelfall festgestellte Teilungsfahigkeit (s. 3.2) verallgemeinert werden darf - - den Au/bau neuer SpindeIpole und Astersysteme induzieren zu k6nnen und hierdurch erneut zur Wanderung befahigt zu werden. Die Bedeutung des Migrationsasters als Organell /i~r die a/ctive Kernwanderung im Waehtliella-Ei ist damit auch experimentell nachgewiesen.

Wahrend im Seeigel-Ei Kerne, die yon ihren Astersystemen getrennt worden sind, wieder zu dem nachstgelegenen Aster zuriickkehren (Aronson, 1971), findet eine solche Wiedervereinigung bei Wachtliella nicht s ta t t (s. 3.2). Ursaehe hierfiir ist sehr wahrscheinlich die herabgesetzte Bewegliehkeit des (leieht flachgedriiekten) Kerns. Aul~erdem diirfte in diesem Fall - - im Gegensatz zu den Verhaltnissen bei benachbarter Lage - - die A//init~it zwisehen Kern und Asterzentrum zu gering sein, um den eingel~lemmten Kern an das letztere heranzuziehen. Die Asterstrahlen des isolierten Migrationsasters inserieren zwar vermutlich in geringer Zahl aueh noch an dem zugeh6rigen Kern, sind aber hauptsachlich im Ooplasma verankert . Indem sich das Astersystem selbstandig in Riehtung auf die noch grSBten kernfreien Gebiete zubewegt (s. 3.2), entfernt es sich immer weiter yon ,,seinem" Kern. Auf die starke distale Verankerung der Asterstahlen im Ooplasma weist aueh die

48 R. Wolf:

Tatsache hin, dab isolierte Astersysteme-- im Gegensatz zu an Kerne gebundenen-- auch w/thrend ihrer Wanderphase, die durch radiale Dotterbewegungen angezeigt wird, yon experimentell erzeugten Ooplasmastr6mungen mitge/~hrt werden (s. 3.2).

Das Auftreten passiver Kernverlagerungen in]olge groflr~iumiger Plasmastr6- mungen w/~hrend der Furchung (Wolf, 1969a) ist ]iir den Wirkungsmechanismus der geschilderten aktiven Kernwanderung ohne Bedeutung, da diese auch nach vSlliger Unterdriickung der StrSmungspulse infolge Ultrabeschallung (Wolf, 1972) noch stattfindet. Die PlasmastrSmungen seheinen aber bei der,,programmgemdflen" Besiedlung der Eiober]ldehe eine Rolle zu spielen, woriiber in einem spateren Beitrag berichtet werden soll.

Der Funktionsmeehanismus des Migrationsasters w/thrend der aktiven Kern- wanderung 1/tuft in unbehandelten wie auch in gequetschten Eiern im Prinzip gleieh ab und macht auf zwanglose Weise eiaige friihere Befunde verst/tndlich, so z.B. die A//initiit zwischen den Furchungslcernen und ihren Pigmenth6]en. Zwar dienen die Proteindotterschollen, die der Kern mit sich fiihrt, nicht der Wande- rung; sie haben aber zur Kernwanderung beigetragen - - allerdings wohl nur in geringem MaB (s. o.) - - , als sie yon den radialen Asterstrahlen an den Kern herangezogen worden sind.

Mit Hilfe des ,,Radialsystems" bei Ischnura kann nach Hujer (miindl. Mit- teilung, 1971) das Ph/tnomen der gegenseitigen ,,Abstoflung" der Furchungslcerne erkl/trt werden: In kernfreien Eigebieten ist die raumliche Ausdehnung des Aster- systems relativ am grSBten; infolgedessen iiberwiegen diejenigen Zugkr/tfte, welche in l~ichtung unbesiedelter Eiregionen weisen, und die Energiden verteilen sieh gleichmaBig im Eiraum. Aufgrund der hier vorgelegten Befunde (s. 3.2) kommt als ein weiterer Faktor hinzu, dab dasjenige Gebiet, welches - - in Wander- richtung gesehen - - hinter dem Kern liegt, relativ arm an ]eerneigenen Asterstrahlen ist. Die auf den Kern zu gerichteten Asterstrahlen sind sehr kurz und wahrscheinlich fiir seine Affinit/tt zum Asterzentrum verantwortlich; sie fallen dann fiir die Insertion im Ooplasma aus. Infolgedessen wandern die Tochterenergiden zunachst bevorzugt in l~ichtung der ehemaligen Spindelachse auseinander, unab- h/tngig yon der Verteilung der tibrigen Energiden im Eiraum.

Ohne weiteres verstandlich wird auch die Drehung d~r Mitosespindel, falls diese wahrend der ersten beiden Furchungsschritte zufallig quer steht (Abb. 3a, vgl. Abb. 3b). Nach vollzogener Teilung bleiben namlich die Toehterkerne zunachst, yon ihren Migrationsastern mit jeweils gleieh grol]er Kraft naeh vorn wie nach hinten gezogen, in gleicher HShe nebeneinander liegen. Bereits eine geringe Schraglage der Spindelachse ist ausreichend, um diesen Zustand des labilen Gleiehgewichts zu stSren. Die Migrationsaster der beiden Tochterkerne besitzen nun - - entsprechend den raumlichen Verhaltnissen - - eine grSBere Ausdehnung nach vorne bzw. nach hinten; dies ffihrt infolge der einseitig hSheren Zugkrafte so lange zu einer Drehung der Anaphasespindel, bis deren ttauptachse etwa in der Langsachse des Eies liegt; damit wird das normale Verteilungsmuster tier Kerne (Abb. 3b) erreieht. Bei genauer Querlage tier Spindelachse verharrt das System in dem Zustand des labilen Gleiehgewiehts, und die Kerne fiihren die naehstfolgende Furehungsteilung, in gleicher HShe nebeneinander liegend, aus.

Offen bleibt die Frage, au] welche Weise die Einwanderung der Kerne in das ,,Marginalplasma" (Wolf, 1972) zeitlich geregelt wird. Man kSnnte sich den_ken, dab die Strahlen der Migrationsaster w/thrend der intravitellinen Furchung nur im Efinneren inserieren und sparer, im Zuge der Besiedlung der Eioberflache, am Oolemma. Diese Vorstellung wfirde auch erkl/tren, warum ein infolge Ultrabe- schallung vorzeitig ins Marginalplasma verlagerter Kern anschlieBend wieder in

Kausalmechanismen der Kernbewegung. I. Der ~igrationsaster 49

das Zentralplasma zuriickkehrt (Wolf, 1972). Bei der Wanderung des 4. bzw. des 8. Furehungskerns an die Oberflgche des Eihinterpols beispielsweise durchziehen Asterstrahlen das Polplasma und inserieren auch direkt oder indirekt am Oolemma, das infolgedessen kurze, ruekartige Bewegungen durchfiihrt (s. 3.3). Einerseits sind jedoeh w~hrend der Pr~b]astodermbildung keine/~hnliehen Oolem- mabewegungen zu sehen und andererseits inserieren die Asterstrahlen schon ws der intravitellinen Furchung an Dotterpartikeln, die dieht unter dem Oolemma liegen, mSglicherweise auch am Oolemma selbst. Die Astersysteme er- [assen also schon wiihrend der intravitellinen Furchu~g nahezu den ganzen Eiraum, obwohl die Besiedlung mit Furchungslcernen au[ das Zentralplasma beschriinlct ist. Die bisherigen Ergebnisse liefern noch keine Erkls fiir den geregelten Ver- teilungsmechanismus der Furchungskerne.

Die Einwanderung des pri~sumptiven Polzell]cerns in das polare Oberflgehen- plasma findet vor der Besiedlung der fibrigen Eioberflgehe stat t und kann als lo/~le, vorzeitige Prdiblastodermbildung aufgefal~t werden. Sie mug auf spezifisehen Bedingungen beruhen, die dureh die Anwesenheit des Polplasmas und/oder des Oosommaterials gegeben sind (Wolf, 1969b).

4.2. Funktionelle Strukturen des Migrationsasters als Spezial/all des mitotischen A pparats im hypothetischen Modell

Ausgehend yon dem Funktionsprinzip des 1V[igrationsasters (s. 4.1) sind gewisse 1%fiekschliisse auf die Eigenschaften und auf das Zusammenspiel einzelner Teilsysteme mSglieh, die dieses Migrationsorganell aufbauen. Ein erster Funktions- kreis bedingt die Erzeugung der ZugkrS/te zwisehen dem Asterzentrum und den sich zeitweilig n&hernden Dotterpartikeln. Er ist ftir die aktive Fortbewegung des Migrationsasters notwendig; sein Hauptwirkungsbereieh liegt naturgem~B im kernabgewandten Gebiet des Migrationsasters. Zu seiner ErklErung sind ]olgende Eigenscha/ten der Asterstrahlen zu fordern:

1. Der Asterstrahl (oder mSglicherweise nur ein Tel]system, alas an seinem Aufbau beteiligt ist) mu$ dynamische Fi~higkeiten besitzen, die unter bestimmten Bedingungen dazu f/ihren, dab er sich innerhalb yon kurzer Zeit aktiv verki~rzen oder auch verl~ngern kann.

2. Sein makromolekularer Aufbau mug eine gewisse Zug/estigkeit bedingen, damit entlang des Asterstrahls eine C/bertragung derjenigen Zugkr&fte erfolgen kann, die bei der obengenannten Verkiirzung entstehen.

3. Der Asterstrahl muI3 proximal im Bereich des Asterzentrums verankert sein, und gleiehzeitig muB er distal an bestimmten Eikomponenten - - und zwar hier nur kurzzeitig - - inserieren kSnnen.

Ein zweiter Funktionskreis mu$ die /i~r den Mittransport des Furchungskerns ngtige A//initdit zwischen diesem und dem zugeh5rigen Migrationsaster (s. 4.1) bewirken. Er betrifft denjenigen Bereich des Migrationsasters, welcher dem Kern zugewandt ist. Die zu fordernde meehanische Verbindung wird sehr wahrscheinlieh yon denjenigen Asterstrahlen bewirkt, die yore Asterzentrum aus zum Kern ftihren. Diese sollten daher auBer der mechanischen Zugfestigkeit entlang ihrer LP~ngsachse (s. Punkt 2) und der proximalen Verankerung am Asterzentrum (s. Punkt 3) folgende weitere Eigensehaften besitzen:

4 Wi lhe lm l~oux' Archly, ]3d. 172

50 R. Wolf:

4. Sie dfirfen sich nicht fiber eine bestimmte Maximall~inge (ca. 10 ~m, s. 3.2) hinaus ausdehnen, damit der Kern zusammen mit seinem Migrations~ster verlagert wird.

5. Die Insertionen am Kern sollten verhgltnismAl~ig dauerha/t sein. Eine wichtige Bedingung schlie~lich, ni~mlich die Vermehrung und Weitergabe

des Migrationsapparats von Kerngeneration zu Kerngeneration, wird durch seine Abkunft yore mitotischen Apparat erffi]lt und ist daher unmittelbar versts

Welche Strukturelemente, die den genannten Forderungen genfigen, kommen ffir den Aufbau der Asterstrahlen und zugleich auch fiir die Erzeugung der Zug- kri~fte in Frage ? Da die Asterstrahlen aus den Polstrahlen des mitotisehen Appa- rats hervorgehen, liegt der Gedanke nahe, dessen Funktionsmechanismus auf den der Asterstrahlen zu fibertragen. Dasselbe Prinzip, welches die anaphasisehe Chromosomenbewegung unter Verkfirzung der Chromosomenfasern bewirkt, kSnnte aueh die aktive Verki~rzung der Asterstrahlen hervorrufen (s. Punkt 1) und damit fiir den ersten Funktionskreis des Migrationsasters mitverantwortlich sein. Die geforderte Zug/estigkeit (Punkt 2) dfirfte mit der (sehr wahrseheinlichen) Anwesenheit yon Mikrotubuli in der L~ngsachse der Asterstrahlen zusammen- h&ngen. Inou6 und Sato (1967) haben bei den Polstrahlen ebenso wie bei den Spindelfasern verschiedener tierischer und pflanzlicher Zellen Doppelbrechung nachgewiesen. Elektronenmikroskopischen Befunden zufolge bestehen die Aster- strahlen wie die Spindelfasern aus 1/~ngs geordnetem, tubul~rem Material (Grund- mann, 1971 ; Fullilove und Jacobson, 1971). Da bei Wachtliella die Doppelbrechung des Spindelapparates auch mit einem empfindlichen Polarisationsmikroskop nicht nachgewiesen werden kann (s. 3.2), spricht der gleichermaBen negative Befund bei den Asterstr~hlen nieht gegen deren tubul~ren Aufbau. Vielleieht/iegen die Tubuli in relativ geringer Zahl und/oder nur in geringem MaB gebiindelt vor. Fiir eine Beteiligung yon Mikrotubuli an den radialen Bewegungen yon Dotterpar- tikeln spricht der Befund, dab die Verlagerungen in scharf umschriebenen Bahnen verlaufen, und dab sieh benachbarte Bahnen nicht stSrend beeinflussen (Duspivu, 1971 ; Tflney, 1971). Zur Struktnraufkli~rung der Migrationsasterstrahlen werden z.Z. neue elektronenmikroskopisehe Untersuchungen durehgeffihrt, d~ die friiher verwendete Fixierungsteehnik (Wolf, 1969a, b) keine Darstellung von tubuls Strukturen erlaubt. Die Annahme einer proximalen Veran]cerung von Milcrotubuli am Spindelpol (s. Punkt 3), der ja zum sp~teren Asterzentrum wird, bi]det einen festen Bestandteil der neueren Hypothesen zur Erkli~rung der Spindelmechanik und darf wohl auch ffir das Zentrum des Migrationsasters a]s zutreffend voraus- gesetzt werden. Eine Insertion yon Mikrotubuli an verschiedenen Zellkompo- nenten wie Pigmentgranula, elektronendichten Partikeln u.a. ist ebenfalls seit li~ngerem bekannt (vgl. Duspiva, 1971). Eine periphere Insertion von Aster- struhlen am Plasmalemma, und zwar in Wandeinbuchtungen zentrifugierter Zellen, hat schon Heilbrunn (1920, s. auch Schrader, 1954) erkannt ; im Gegensatz zu den Spinde]fasern sind ns die Asterstrahlen in der lebenden Zelle meist gut sichtbar, da andere cytoplasm~tisehe Bestandteile ihren Weg ss

Ffir den zweiten Funktionskreis, der die A//init~t zwischen Kern und Aster- zentrum bewirkt und zugleich ftir einen gewissen Abstand (s. Punkt 4) zwisehen diesen sorgt, dfirften die am Kern inserierenden Asterstrah]en verantwortlieh sein, die direkt aus einer der beiden H~lften der bipolaren Mitosespindel hervorgehen

Kausalmeeh~nismen der Kernbewegung. I. Der Migr~tionsaster 51

und einen Uber re s t des S p i n d e l a p p a r a t e s dars te l len . F i i r diese ( re la t iv kurzen) As te r s t r ah len kSnnte das jenige F u n k t i o n s p r i n z i p gelten, welches den , ,konti- nuier l ichen Sp inde l fase rn" zugeschr ieben wird und zu einer gewissen , ,S temm- wi rkung" (Mazia, 1961) ffihrt . N i m m t m a n h ingegen an, dab alle As t e r s t r ah l en in gleichem Mag die Tendenz haben, sich zu verkfirzen, so kSnn te die jeweil ige Dis tanz zwischen As t e r zen t rum und K e r n aus e inem Gle ichgewichtszus tand re- sul t ieren, bei dem sich die Zugkr/~fte der As t e r s t r ah l en einersei ts und eine an tago- nis t isch w~rkende K r a f t andererse i t s gegensei t ig aufheben ; als Gegenkraf t k o m m t die elast ische Ver formung des re t icu ls Gels (vgl. Dietz, 1972) im Bereich des ehemal igen Spindelpols ( - - A s t e r z e n t r u m ) in Frage . Unabh~ng ig davon, welche dieser beiden M6gl iehkei ten zut r i f f t , scheinen Insertionen von Asterstrahlen an einem Kern besonders langdauernd zu sein (s. P u n k t 5): Dies is t such eine Vor- bed ingung fiir die s te le Ann~herung des weib]ichen Vorkerns an den m~nnl ichen Vorkern (s. 4.4).

Setzt man voraus, dab such im Wachtliella-Ei Mikrotubuli ein Hauptelement der Aster- s~rah~en bilden, so bleibt doch die grunds~tzliche Frage offen, ob sic such das dyna, miseh wirlc- same Strulcturelement sind. Ist diese Frage zu be]ahen, so kann man versuchen, die Assembly- Hypothese der Chromosomenbewegung (Dietz, 1969, 1972), die ohne die Annahme zusiitzlicher, kontrak~tiler Elemente ~uskommt, auf die L~ngen~nderungsprozesse der Asterstrahlen zu fibertragen. Diese w~ren dann - - ~hnlich wie die Verkfirzung und die Verl~ngerung der Chromo- somen- und Spindelfasern - - unter der Annahme bestimmter thermodynamischer Voraus- setzungen als reversibler Assembly-ProzeB zu deuten, der in dem System aus Mikrotubuli, reticulgren Gelbezirken und frei beweglichen Monomeren stattfindet. Ist die obengenannte Frage zu verneinen, so muB zus~tzlich die Existenz von dynamischen Strukturelementen ge/o~'dert werden. Der tubuliire Anteil der Asterstrahlen stellte dann eine mehr oder weniger stabile Skelettstruktur dar, die ~fir eine radiale Ausriehtung der ihr beigeordneten dynamischen Ele- mente und damit fiir die ,,radiale Zitterbewegung" (s. 3.1) verantwortlich ist. AuBerhalb des Wirkungsbereichs der Asterstruhlen kSnnten die gleichen dynamischen Elemente, die vermutlieh/iberall im Ooplasma verfiigb~r sind, die ,,ungeordnete Zitterbewegung" hervon'ufen. Falls die tubulgre Komponen~e des Migrationsasters wirklich nur eine St~tzfunktion aus~bt, ist eine kausale Deutung des Zugmechanismus der Asterstrahlen z.B. auf der Basis der Gleit- faser-Hypothese (Mclntosh et al., 1969) zu versuehen. Der Funktionsmechanismus der Aster- strahlen wird letzten Endes nur zusammen mit dem des Spindelapparats zu verstehen sein.

4.3. Initialbereiche der Furchung und der Wellen von Zitlerbewegungen, ihre Bedeutung ]i~r die Ausl5sung der Kernteilungsbewegungen

Wellen ungeordneter Zitterbewegung t r e t en s te t s u n m i t t e l b a r vor Beginn der k inema t i s chen Prozesse auf, die ffir die ak t i ve K e r n w a n d e r u n g charak te r i s t i sch s ind (s. 4.1). Alle diese Wel len yon Zi t t e rbewegungen , einschlieBlich der jenigen, welche kurz vor der W a n d e r u n g des weibl ichen Vorkerns zum S p e r m a k e r n yon dem le tz te ren ausgeht (s. 3.1, 3.2), haben dahe r m5gl icherweise e twas m i t d e r Bereitstellung und/oder ri~umlichen A usriehtung des dynamiseh wirksamen prospelc- tiven Astermaterials zu tun . D a die Wel len der Z i t t e rbewegung i m m e r w i d e r yore selben E i o r t ausgehen (s. 3.2), k a n n m a n schlieBen, dab sic durch die A k t i v i t ~ t eines Fak to renbe re i chs hervorgerufen werden. Ver lager t m a n exper imente] l den I m t i a lbe r e i ch der Z i t t e rbewegung polw~trts (s. 3.2), so k a n n diese such in Eiteilen einsetzen, die keine Kerne enthalten. I~och bevor eine We]le yon Z i t t e rbewegungen den am ns l iegenden F u r c h u n g s k e r n erreicht , se tzen in dessen U m g e b u n g rad ia le Z i t t e rbewegungen ein; die Kernteilungsbewegungen sind also schon ]curz vor dem Eintre]/en der Welle ausgel6st worden. Vorbed ingung fiir das E inse tzen

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52 R. Wolf :

yon geordneten Zitterbewegungen, d.h. yon Verkfirzungsprozessen der Aster- strahlen, scheint also nicht das Auftreten der Welle ungeordneter Zitterbewegun- gen selbst zu sein, sondern eine auslgsende Vorbedingung, die der Welle vorausl~u/t und die in der Umgebung yon Kernen radial geordnete Zitterbewegungen hervor- ruff. Um den obengenannten Befund zu erkl~ren, k6nnte man annehmen, dag der Schwellenwert fiir die Ausl6sung yon Zitterbewegungen in der Umgebung eines Kerns niedrjger ist als in kernfreien Gebieten. Kerne, die weir entfernt yon der Eils liegen, hinken mit ihrer Teilung solchen Energiden gegeniiber nach, die in gleicher tt6he, aber zentral liegen; der die Zitterbewegung und damit auch die Furchungsmitosen ausl6sende ProzeB scheint sich also yon einem im zentrMen Ooplasma gelegenen Initialbereich aus in alle Richtungen auszubreiten. Ha t man infolge tier Quetschung den Mitosegradienten verst~rkt, so wird deutlich, dab die Kerntrennungsbewegungen (Auseinanderwandern der Tochterkerne von der Anaphase ab) bei einer sich teilenden Energide nicht einheitlich einsetzen, sondern daft die Ver]ci~rzungsprozesse innerhalb der beiden Tochteraster an den Spindelpolen einzeln ausgelSst werden: I m Bereich desjenigen Astersystems, welches n~her am Initialbereich der Furehung liegt, t reten die radialen Material- verlagerungen friiher auf als bei dem entfernter liegenden Astersystem desselben sich teilenden Kerns (s. 3.2).

Welcher Zusammenhang besteht abet zwischen dem Initialbereich der Wellen yon Zitterbewegungen und dem der Furchung ? Als ,Furchungszentrum" wird nach Krause (1938) der Ort der 1. Furchungsteflung angesehen, der im unbehandelten Wachtliella-Ei meist bei 60 % der Eil~nge liegt. Es ist auch der Initialbereich der weiteren Mitosewellen und fs sowohl lagem/~gig als auch beziiglich des Zeitplans seiner Aktivierung mit dem Initialbereich der zugeh6rigen Wellen yon Zitterbewegungen zusammen. Da{~ diese Koinzidenz nicht selbstversts ist, zeigen die Ergebnisse an total gequetschten Eiern: I s t der Initialbereich der Zitterbewegungen - - entweder ungeteilt oder bipolar aufgespalten - - in kernlose Eigebiete verlagert worden (s. 3.2), so riickt der Ort derjenigen Energide, die sich jeweils zuerst teilt, infolge der Kernausbreitung von Furchungsschritt zu Fur- chungssehritt n/~her an den einen (oder an die beiden polaren) Initialbereich(e) der Wellen yon Zitterbewegungen heran. Diesen ProzeB als Verschiebung eines eng begrenzten Faktorenbereichs zu deuten, erscheint wenig sinnvoll; hingegen fiigen sich a]le bisherigen Befunde widerspruchslos zusammen durch die Annahme, dab der Initialbereich der Welle zitternder Bewegungen mit dem der Furchung potentiell identisch ist. Da8 A u/treten zweier polarer Initialbereiche der Zitterbewegung q;st ein Indiz /i~r das Vorhandensein polar di]/erenter ooplasmatischer Fa]ctoren, deren Verteilungsmuster oder deren Funktion im gequetschten Ei derart abge~indert werden ]cann, daft ]ede Mitosewelle potentiell (d. h. unabh~ingig davon, ob sich bereits Furchungs]cerne am Oft befinden oder nicht) sogar von zwei Often aus ihren An/ang nimmt. In welcher Beziehung diese polaren Faktoren zu dem klassischen ,,Fur- chungszentrum" (Krause, 1939) oder vielleicht zum ,,Difierenzierungszentrum" (Seidel, 1934, 1960) stehen, bleibt bis zur Kli~rung der Homologieverhs im Vergleich mit anderen Insekten abzuwarten. Die Frage, warum im unbehandelten Wachtliella-Ei nur ein Initialbereich der Wellen zitternder Bewegungen und der Furehungsmitosen in Erscheinung tri t t , der dicht vor der Eimit te liegt, wird in einem sp~teren Beitrag experimentell analysiert.

Kausalmeehanismen der Kernbewegung. I. Der Migrations~ster 53

4.4. Verlagerung des weiblichen Vor]cerns mit Hil/e eines ,,]cern/remden" Migrationsasters

Die Tatsache, dal~ sieh der weibliche Vorkern au] den mgnnliehen Kern zubewegt und nicht nmgekehrt, ist yon vie]en Tierarten her bekannt. Besonders ansehaulieh zeigt diesen Vorgang ein Zeitrafferfilm der Gryllus-Entwicklung (Sauer, 1966) sowie die Entwieklung yon Psammeehinus (Kuh], Kuhl, 1949). I m Seeigel-Ei entsteht um den eingedrungenen Spermakern, der ein Centriol mitgebracht hat, ein deutlieh sichtbarer, groger Aster, und der weibliche Vorkern schliipft ohne erkennbare P]asmabewegungen zum ms hinfiber. Damit es zur Ausbildung tines Asters kommt, mu~ ein Centriol nicht urspriinglich im Ei vorhanden sein oder yore Spermakern mitgebracht werden, denn iiberM1 im Plasma unbesamter Eier kann der Aufbau yon Centriolen und Astersystemen experimentell induziert werden (Loreh et al., 1953; Dirksen, 1961).

Der Befund, dub sieh bei Waehtliella der weibliche Vorkern dem m/~nnlichen auf dieselbe Weise n~hert wit z.B. gro~e Fettdotterkugeln (s. 3.1), weist darauf hin, dal~ sich der weibliche Vorkern selbst passiv verhiilt und, ebenso wie ein Dotter- partikel, gezogen wird (s. 3.2). Ganz anders ist das Verhalten des m~nnliehen Kerns: Er n~mlich bedient sieh der Fiihig~eit des Ooplasmas, Migrationssysteme auszubilden. Er induziert und/oder aktiviert - - m6glicherweise mit Hilfe eines Centriols (s. 4.1) - - in dem ihm ,,fremden" Oop]asma einen radial ausstrahlenden Migrationsaster, mit dessen Hilfe er tier in das Ei vordringt. Der ,,Ei-eigene" weibliche Vorkern dagegen wird mit Hilfe eines oder mehrerer Asterstrahlen ebendesselben Migrationsasters zu dem mi~nnliehen Kern herangezogen, und zwar sehr wahrscheinlieh ohne eigenes Zutun. Die radialen Asterstrahlen miissen in die- sere Fall yore ms Kern aus bis zu ihm bin ziehen, d.h. eine Reichweite yon mindestens 65 tern aufweisen. Die Mitosespindel hat dagegen die vergleichsweise geringe Ausdehnung yon knapp 25 ~m. A m weibliehen Vor]~ern grei/en die Aster- strahlen des miinnlichen Kerns permanent an, er wird - - im Gegensatz zu den Dotter- parti]celn - - nicht wieder losgelassen.

Den Zeitrafferfilmen sind keinerlei Hinweise zu entnehmen, dab der weibliehe Vorkern einen, wenn auch vielleicht nur kleinen, Migrationsaster besitzt. Beriick- sichtigt man die A//initiit zwischen einem Furehungs]cern und seinem Astersystem (s. 4.2), so wird die Tatsache, daft der weibliche Vor]cern zu dem einzig vorhandenen Asterzentrum, ni~mlich dem des mgnnlichen Vor]cerns hingezogen wird, unmittelbar verst~indlich. Dieselbe Affiniti~t, die in diesem Fail fiir die Befruehtung sorgt, ist auch daffir verantwortlich, dag im Seeigel-Ei die kfinstlich verursaehte Tren- nung der Furchungskerne yon ihren Astersystemen wieder rfickg/~ngig gemaeht wird (Aronson, 1971). Bes~tSe aueh der weibliche Vorkern einen Migrationsaster und damit die F~higkeit zu aktiver Wanderung, so bestiinde zwischen ihm und dem m~nnlichen Vorkern vermutlich dieselbe ,Abstol~ung" wie zwischen den Furehungsenergiden (s. 4.1), die ja zu deren Verteilung im verfiigbaren Eiraum fiihrt. Die gegenseitige Ann~herung der beiden Kerne und die Befruchtung w~tren dann wahrseheinlieh gar nieht m6glich. Der Funktionsmechanismus des Migra- tionsasters macht also vielleicht auch die seit langem bekannte Tatsache verst/~ndlich, dag einer der Elternkerne (n/~mlieh der weibliche) auf den anderen (n~mlich den ms zuwandert, der ruht oder sich nut langsam fortbewegt und der ein mehr oder weniger deutlieh sichtbares Astersystem ausgebildet hat.

54 R. Wolf:

Bei Wachtliella verharren die drei RichtungskSrper vielleicht nur deshalb in ihrer Position, well sie, im Gegensatz zum weiblichen Vorkern, im Marginalplasma liegen und/oder innerhalb des ,,Richtungsplasmas" vor dem Zugriff yon Asterstrahlen geschiitzt sind.

Zweifellos ~bnorm ist dus Verhalten des m~nnlichen Kerns in partiell gequetschten Eiern, der, in seiner Bewegungsf~higkeit stark eingeengt und an der Vereinigung mit dem weiblichen Vorkern gehindert, hi~ufig eine Teilung durchmacht (s. 3.1). Dies ist nicht allzu verwunderlich, wenn man bedenkt, dab sich auch der weibliche Vorkern in unbehandelten, unbesamten Eiern selbst~ndig ein- oder zweimal zu teilen vermag, wobei sich das ganze Eisystem zun~chst weitgehend wie bei einem besamten Ei verhi~lt (Wolf, unverSif.). Auf welche Weise die Kern- teilung stattfindet, ist allerdings noch ungekl~rt.

4.5. Analyse der Zellwandbildung und ihrer Ab~inderung im gequetschten Ei

Durch Quetsehen des Eies wird die Neigung zur Zellwandbildung erh6ht, und zwar sowoh] wi~hrend der friihen Furchung als auch bei der Po]zellbildung (s. 3.3). Es entsteht die Frage, ob dieser Effekt m5glicherweise au~ der Zunahme des hydrostatischen Drucks innerhalb des Ooplasmas beruht. Im Rahmen anderer Experimente sind Eier im 2--4-Kern-Stadium geschnfirt worden, wodurch sich der hydrostatische Druck in vergleichbarem Ma~ erhSht. Obwohl in solchen Eiern der 8. Furchungskern programmgem~l~ in das Po]plasma am Eihinterpol einwandert, kann die Abschniirung der Polzelle verzSgert oder sogar bis zum Stadium des Pr&blastoderms ganz unterdriickt werden (Abb. 3d). Die Neigung zur Einfaltung des Oolemmas hs also nicht yore hydrostatischen Druck, sondern vom Kri~mmungsradius der Eiober/lSche, hier speziell des Hinterpols, ab. Ist er (wie im geschniirten El) grSl~er als im Normalfall, so wird die Oolemma- ein~altung erschwert, ist er kleiner (wie im gequetschten El) - - wenn auch nur entlang der Eiperipherie, die frei an Wasser grenzt (Abb. 1) - - , so wird sie gefSr- dert. Wird die Neigung zur Zellwandbildung experimentell erh6ht, so/indet schon im 2-Kern-Stadium /ast eine totale Furchung slatt (Abb. 4). Im 8-Kern-Stadium kann sich das Oolemma an vielen Stellen einfalten. Es werden voriibergehend kernlose ,,Zellen" abgetrennt, und am Hinterpol schniiren sich ,,Pseudopo]zellen" ab, noch bevor Furchungskerne eingewandert sind. In partiell gequetschten Eiern ist beobachtet worden, dal~ Tochteraster, die yon ihrem Kern isoliert ]iegen, zwisehen sich eine Einfaltung des Oolemmas induzieren kSnnen (s. 3.2). Dieser Befund weist darau~ bin, dal~ nicht die auseinanderwandernden TochterIcerne, sondern deren Astersysteme eine ausl6sende Rolle bei der Zellwandbildung spielen (s. auch l~appaport, 1971).

Die Ein/altung von ZellwSnden ist ein ProzeB, der - - im Gegensatz zu den fiir die aktive Kernwanderung verantwortlichen Verkiirzungsbewegungen der Aster- strahlen - - langsam sowie sehr gleichms und ohne sichtbare Unterbrechungen abl~uft (s. 3.3). Ihm mul~ ein anderer Mechanismus zugrundeliegen als der jenige, welcher die aktive Kernwanderung bewirkt. Im Gegensatz zu der Umgebung yon Migrationsastern verhalten sich Ooplasmagebiete, in die Zellw~inde eingewachsen sind, au/3erordentlich start (s. 3.2). Es sind dort auch keine radialen Dotterbewe- gungen zu sehen, was aber eine mSgliche Insertion yon Migrationsasterstrahlen nicht ausschliei~t. Aus dem Gradienten der optischen Dichte am tiefsten Punkt der Oolemmaeinfaltung (s. 3.3) kann man schliel~en, dal~ Differenziernngen des Grundplasmas eine maBgebende l~olle bei der Zellwandbildung spielen. DaB dabei Plasma/ilamente beteiligt sind, die elektronenoptisch in unmittelbarer/qs

Kaus~lmechanismen der Kernbewegung. I. Der Migrationsaster 55

der , ,Terminalblase" dargestellt worden sind, ist schon friiher wahrscheinlich gemacht worden (Mahowald, 1963 ; Wolf, 1969a; Rappaport , 1971). Solche Grund- plasmafilamente sind ein Indiz fiir gerichtete Kontraktionsvorgange. Komnick et al. (1972) fiihren auf solche Zugkrgfte die Einfultung der Zelloberflgche und die Kontrakt ion des Ektoplasmaschlauchs bei Am6ben zuriick. Der Befund am Wachtliella-Ei s t immt hiermit iiberein, denn im Gebiet yon Zellwandeinfaltungen hebt sich das Ooplasma yon der Eihiille ab (s. 3.3).

Wghrend die meisten Entwicklungsprozesse trotz der Quetschung des Eies - - yon charak- teristisehen Abweichungen (s. 3.2, 3.3) abgesehen-- weitgehend normal verlaufen, treten manch- real nach partieller Quetschung auch pathologische Ph~inomene auf. Extrem stark gequetschte Eiteile, die deutlich unter Sauerstoffmangel leiden, strecken undulierende Protrusionen in den perivitellinen t~aum vor (s. 3.3). Ihr Verhalten ghnelt dem ,,ruffling" yon Gewebezuchtzellen. Wghrend die Entwicklung im Ei nahezu stillsteht - - solange man nicht den Grad der Quet- schung reduziert und so mehr Sauerstoff zutreten lgl~t - - ist alle sichtbare Aktivitgt auf die Umbildung und Bewegung der Protrusionen beschrgnkt. Diese dienen demnach vielleicht einer Verbesserung des Gasaustausches durch Oberflgchenvergr61]erung.

4.6. Die generelle Bedeutung des Spindelasters als Migrationssystem /iir Kern- und Zellteilungen

Radiale, auf einen Kern ausgerichtete Verlagerungen oder Schwingungen von Dotterpart ikeln wghrend der Furchung sind aul~er bei Ischnura und Wachtliella auch im E ide r Termite Kalotermes (Truckenbrodt, 1971) sowie beim Befruchtungs- prozeB yon Gryllus (Sauer, 1966) gefunden worden. Zitterbewegungen des Dotter- materials, denen ebenfalls ]okale, ungeordnete oder auch radial geordnete Dotter- verlagerungen zugrunde liegen miissen, treten auch in den Eiern der Dipteren Heteropeza (Went, 1972), Smittia (Kalthoff, Sander, 1968) und Chironomus (Wolf, unver6ff.) sowie der Hymenoptere Pimpla (Bruhns, miindl. Mitteilung) auf; manche Autoren haben sie als Vorgang der Dotterauflockerung gedeutet. Wahr- scheinlicher ist jedoch, dab sie mit der Kernwanderung zusammenhgngen und die Ausbreitung der Kerne in allen Fdllen au/ demselben Grundprinzip beruht. • der Spindelapparat die Tochterchromosomen getrennt hat, t ibernimmt das yon den Spindelpolen ausgehende weitreichende Astersystem die Aufgabe, die Tochter- kerne auseinanderzuziehen und gleichmgl~ig im Eiraum zu verteilen.

Auch bei Zdlen kleinerer Abmessungen k6nnten die Astersysteme bei der Trennung der Telophasekerne mitwirken und damit die Voraussetzung schaffen fiir die Durchschntirung des Plasmuk5rpers (Cytokinese). Dietz (1969, 1972) fiihrt im Rahmen seiner Assembly-Itypothese yore Spindelmechanismus die anaphasisehe Spindelstree]eung auf den ]angsamen Verquellungsabbau der Spindelfasern sowie auf die Bildungskompensation zwischen benachbarten Mikrotubuli zuriick. Aueh bei anderen t typothesen zur Erklgrung der Spindelmechanik wird als Ursache der anaphasischen Spindelstreckung die aktive Erweiterung der Inter- zon~lregion ( = ,,stem body" ; Mazia, 1961 ; McIntosh et al., 1969, 1971 ; Brinkley und Cartwright, 1971) angesehen. Bei Waehtliella kommt als ein neuer Faktor ftir die Spindelstreckung das alctive Auseinanderwandern der beiden Toehteraster infolge yon Verkiirzungsprozessen der weitreichenden Asterstrahlen hinzu, die schon zu Beginn der Anaphase einsetzen.

Da die polaren Asterstrahlen, die als urspri~ngliehe Grund/orm des Migrations- asters ~ngesehen werden diirfen, bei der grol~en Mehrzahl aller Kernteilungen

56 ~. Wolf:

auftreten, machen vermut l ich zahlreiche tierische Zellen v o n d e r MSglich]ceit Gebrauch, mehr oder weniger ausgedehnte Migrationsaster auszubilden. U m die Verteflung von K e r n e n in besonders groi~en Zel]en zu ermSglichen, s ind - - beim vorl iegenden Fa]l in Anpassung an die speziellen Bedingungen der Fu rchung in grol~r/~umigen Eisys temen - - die beiden yon den Spindelpolen ausgehenden Aster- systeme um ein Vielfaches vergrSBert worden. Dar i iberh inaus ist die F/~higkeit der Asterstrahlen, sich ak t iv zu verkiirzen, zeitlich verl~ngert worden, so dal3 sie such nach der Kern te i lung noch erhal tcn bleibt.

Herrn Prof. Dr. G. Krause danke ich sehr fiir wertvolle Anregungen bei der kritischen Durchsicht dieser VerSffentlichung. Mein besonderer Dank gilt meiner Frau fiir ihre Hilfe bei der Ausarbeitung des Manuskripts. Die Untersuchung wurde durch Sachbeihilfen der Deut- schen Forschungsgemeinschaft unterstiitzt.

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Dr. Rainer Wolf Zoologisehes Insti tut I der Universitgt D-8700 Wiirzburg RSntgenring 10 Bundesrepublik Deutschland

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