Untersuchungen über die Assimilation der Kohlensäure: Sieben Abhandlungen

457 Pages·1918·39.64 MB·German

by  Richard Willstätter, Arthur Stoll (auth.)

AUS DEM CHEMISCHEN LA130RATORIUM DER KONIGLICH
BAYERISCHEN AKADEM:IE DER WISSENSCHAFTEN IN MUNCHEN
UNTERSUCHUNGEN
TIBER DIE ASSIMILATION
DER KOHLENSAURE
SIEBEN ABHANDLUNGEN
VON
RICHARD WILI~STATTER
UND
ARTHUR STOLL
MIT 16 TEXTFIGUREN UND EINER TAFEL
BERLIN
VERLAG VON JULIUS SPRINGER
1918
ISBN-13 :978-3-642-98136-4 e-ISBN-13 :978-3-642-98947-6
DOl: 10.1007/978-3-642-98947-6
AIle Rechte, namentlich das der Dbersetzung
in fremde Sprachen, vorbehalten.
Copyright 1918 by Julius Springer in Berlin.
Softcover reprint of the hardcover 1 st edition 1918
Vorwort.
Die chemische Untersuchung der Blattfarbstoffe hat vor vier J ahren
einen vorHiufigen AbschluB erreicht. Wohl blieben fUr die Ermittlung
ihrer Konstitution im einzelnen noch bedeutende Aufgaben zu losen,
die vielleicht fiir die Zeit zu schwierig waren, gewiB fUr unsere Mittel,
allein es waren die Pigmente, denen man eine Rolle an den Lebensvor
gangen im Blatte zuschreibt, in ihren wesentlichen Ziigen so erforscht,
daB ihre Kenntnis in chemischer Beziehung der Behandlung biologischer
Fragen neue Wege eroffnete.
Damals war uns durch die Ml1Be im Kaiser Wilhelm-Institute fur
Chemie, an die wir unter veranderten Verhaltnissen uns mit Dankbar
keit erinnern, die Moglichkeit geboten, eine Wanderung in die dem
Chemiker schwerer erreichbaren Gebiete der Pflanzenphysiologie anzu
treten. Die Untersuchung, iiber die bisher nur einige vorHiufige und kurze
Angaben im J ahrgang I9I5 der Sitzungsberichte der PreuBischen Aka
demie der \Vissenschaften und der Berichte der Deutschen Chemischen
Gesellschaft erschienen sind,.ist im dritten Jahre des Weltkrieges vollendet
worden. Wir veroffentlichen die Arbeit in sieben Abhandlungen und
einer SchluBbetrachtung in dieser Buchform, urn sie trotz ihres Um
fanges als ein Ganzes erscheinen zu lassen und sie dem Botaniker gleichwie
dem Chemiker zuganglich zu machen.
Wenn unsere Versuche dazu beitragen, den Assimilationsvorgang
genauer zu beschreiben, so sind sie zugleich klar verneincnd in der Frage,
ob es schon gelingt, die Assimilation auBerhalb der lebenden Zelle zu
verwirklichen. Es ist zu fruh fUr die Experimente kunstlicher Assimi
lation unter der Wirkung von Chlorophyll. Das ist nicht eigentlich ein
IV Vorwort.
negativer AbschluB, es ist ein positives Ergebnis, das zu neuer Arbeit
anregt und ihr die Wege wei sen will. Der Assimilationsapparat ist un
vollstandig chemisch bestimmt, so lange nur die am Assimilationsvor
gang beteiligten Farbstoffe bekannt sind. Es tut not, durch analytische
Arbeit in vorgezeichneten Richtungen unsere chemische Kenntnis von
den assimilatorischen Einrichtungen der grtinen Gewachse zu vervoll
kommnen.
Mtinchen, Ostern 1917.
Die Verfasser.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
Vorwort . . . . . . . III
Inhaltsverzeichnis V
Erste Abhandlung:
tiber die Konstanz des Chlorophyllgehaltes wahrend der Assimilation
I. Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I
II. Quantitative Bestimmung der vier Chloroplastenfarbstoffe I I
+
A. Bestimmung des Chlorophylls (a b) . . . . . . . . 12
Abtrennung der gelben Pigmente von den griinen S. 12. Chlorophyll
losungen aus den Bliittern S. 13. Die Vergleichslosung S. 15.
B. Bestimmung der vier Blattfarbstoffe. 17
Die Grundziige der Methode . . . . . . . . . 17
Ausfiihrung der Analyse . . . . . . . . . . . 19
Trennung der Chlorophyllkomponenten S. 19. Abgekiirztes Verfahren
S. 22. Trennung von Carotin und Xanthophyll S. 22. Die Vergleichs
losungen S.23. Bel'echnung 25. Genauigkeit del' Bestimmung S. 26.
III. Das Verhaltnis der Blattfarbstoffe wahl'end der herbstlichen Vergilbung 27
IV. Die Blattfarbstoffe nach gesteigerter Assimilationstatigkeit . . . . 3I
A. Die Blattfarbstoffe bei Uberlastung des Assimilationsapparates. 32
B. Die Carotinoide bei gesteigerter Atmung ......... 34
C. Die Blattfarbstoffe nach Assimilation bei hoher Temperatur . 35
D. Die Blattfarbstoffe nach der Einwirkung narkotischer Mittel. 36
V. Der Chlorophyllgehalt vor und nach gesteigerter Assimilation 39
Zweite Abhandlung:
tiber das Verhaltnis zwischen der assimilatorischen Leistung der Blatter und
ihrem Gehalt an Chlorophyll . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4I
I. Einleitung und Ubersicht . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4I
II. Zur Geschichte der quantitativen Beobachtung der Assimilation. 58
III. Die Methode der Untersuchung ...... . . . . . . . 62
A. Die Assimilationsapparatur . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Die Assimilationskammer S. 64. Temperaturablesung S. 64. Tempel'atul'
l'egulierung S. 66. Beleuchtung S.68. Zufiihtnng von Kohlendioxyd S.69.
Regulierung des Gasstromes S. 70. Befeuchtung S. 70. Trocknungs- und
Absol'ptionsvol'richtungen S. 7 I. Die Gasuhr S. 7 I.
B. Das Pflanzenmaterial. . . . . 72
C. Zur Ausfiihrung der Versuche. . . . . . . . 76
D. Der Gang der Assimilation. . . . . . . . . 77
IV. Assimilationsleistungen normaler Blatter verschiedener Pflanzenarten. 82
V. Anderung der Assimilationszahl beim Wachstum. 86
A. Die Assimilation in. der Friihjahrsentwicklung . . 86
B. Vergleich junger und alter Blatter . . . . . . . 9I
VI. Schwankungen der assimilatorischen Leistnng im Herbste. 93
A. Normale nnd steigende Assimilationszahlen im Herbste (Verhalten des
vergilbenden Laubes). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
VI
Inhaltsverzeichnis.
B. Niedrige Assimilationszahlen im Herbste (Verhalten des griinbleibenden Seite
Laubes). . . . . . . . . . 96
Belebung der Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . 101
VII. Assimilation der Fruchthaute . . . . . . . . . . . . . . . . r05
VIII. Assimilationsleistung chlorophyllarmer (gelbblatteriger) Varietaten 108
IX. Bemerkungen iiber die chemische Ausniitzung der Lichtenergie 115
Assimilationszeiten . . . . . . . . . . . . 115
Ausniitzung schwacheren Lichtes. . . . . . 117
Untersuchungen von Brown und Escombe 118
Ausniitzungsfaktor nach Weigert . . . . . 120
Dberlegene Lichtausniitzung der chlorophyllarmen Blatter 120
EinfluB der anatomischen Verhaltnisse auf die Lichtabsorption 122
Bemerkungen iiber die Untersuchungen von Timiriazeff und iiber
die Bestimmung des Ausniitzungsfaktors. . . . . . 124
Untersuchung des Lichtdurchgangs durch griine Blatter 125
X. Assimilationsleistung ergriinender etiolierter Blatter 127
XI. Untersuchung chlorotischer Blatter. . . . . . . . . . . 135
XII. Untersuchung fast chlorophyllfreier Blatter . . . . . . . 139
Vergleich der Assimilation anthocyanhaltiger und anthocyanfreier Bliitter
von Acer Pseudoplatanus S. 141.
XIII. Vergleich an Chlorophyll armer und reicher Blatter bei Anderung der Tem
peratur und der Beleuchtung . . . . . . . . . . . . . . . . .. 143
A. EinfluB verschiedener Beleuchtung auf gelbe und griine Blatter . . . 146
B. EinfluB verschiedener Temperaturen auf gelbe und griine Blatter . . 152
C. EinfluB verschiedener Temperaturen und Beleuchtungen auf herbstliche
Blatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
D. Zusammenfassung ........................ 159
XIV. Assimilationsversuche mit beschadigten Blattern und mit isoliertem Chloro-
phyll . . . . . . . . . . . ... " ....... r6r
A. Versuche mit Chlorophyll. . . . . . . . . . . . . . . r61
B. Versuche iiber den storenden EinfluB des Formaldehyds. r63
C. Versuche mit beschadigten Blattern. . . . . . . . . . 166
Dritte Abhandlung:
tiber Absorption der Kohlensaure durch das unbelichtete Blatt. 172
Theoretischer Teil. . . . . . 172
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . 172
Das Absorptionsvermogen der Blattsubstanz 174
Vergleich der Kohlensaureabsorption im Blut und im Blatt 184
Experimenteller Teil . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
I. EinfluB der Tempe1"atur auf die Sattigung der Blatter mit Kohlensaure 189
A. Die Versuchsanordnung. . . . . . . . . 189
B. Versuche mit lebenden Blattern. . . . . . . . . 192
C. Versuche mit getrockneter Blattsubstanz. . . . . 198
II. Bestimmung der Kohlensaureabsorption lebender Blatter. 206
A. Die Methode der Untersuchung. . . . . . . . . . . 206
Beschreibung des Apparates S. 207. Ausfiihrung der Versuche S.21O.
B. Berechnung der vom schadlichen Raum des AbsorptionsgefaBes bedingten
Kohlensauredifferenz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
C. Beispiele fiir die Kohlensaureaufnahme und -entbindung. . . . 215
D. Abhangigkeit der Absorption vom Teildruck des Kohlendioxyds 218
E. EinfluB der Temperatur auf die Absorption . . . . . . . . . 221
Inhaltsverzeichnis. VII
Seite
F. Vergleich von BUittem der griinen Stammformen und gelberVarietaten 221
G. Priifung des Verhaltens von Lecithin gegen Kohlensaure ...... 223
Vierte Abhandlung:
Uber das Verhalten des Chlorophylls gegen Kohlensaure 226
Theoretischer Teil . . . . . . . . . . . . . . . 226
A. Einleitunb . . . . . . . . . . . . . . 226
B. Kohlensaureverbindung des Chlorophylls . 228
C. Zur Theorie der Assimilation . . 236
Experimenteller Teil . . . . . . . . . . . 247
I. Darstellung der Chlorophyllpraparate . 247
A. Chlorophyll aus trockenen Blattem 248
B. Chlorophyll aus frischen Blattem . 252
C. Trennung in die beiden Komponenten. 254
II. Kolloide Losungen von Chlorophyll. . . . 258
Die Darstellung des kolloiden Chloroph ylls S. 258. Beschreibung S. 26 I.
Zustand des Chlorophylls im lebenden Blatte . . . . . . . . . . . . 263
Absorptionsspektrum der Chlorophyllhydrosole S. 264. Verhalten gegen
Losungsmittel S. 267. Gemische von Lecithin und Chlorophyll S. 269.
Verhalten der Chlorophyllosungen gegen Luft und starkeres Kohlendioxyd 271
III. Bestimmung der Aufnahme und Entbindung von Kohlendioxyd. 275
Absorptionsmethode 277
Apparat S. 277.
Methode fiir die Entgasung 283
Entbindung der Kohlensaure aus Wasser S. 283. Elltbindullg der Kohlell
saure aus alkoholischer LQSUllg S. 286.
Ubereinstimmung zwischen Aufnahme und Entbindung der Kohlensaure 287
IV. Zersetzung des Chlorophylls durch Kohlensaure . . .. . ..... 288
V. Die Bildung der dissoziierenden Kohlensaureverbindung des Chlorophylls 292
Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
Zur Ausfiihrung der Versuche . . . . . . . . . ., ...... 295
a) Versuche mit der Dissoziation in Wasser . . . . . . 298
b) Versuche mit der Dissoziation bei der Uberfiihrung des Chlorophylls
in Ather . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
c) Versuche mit der Dissoziation in Alkohol . . . . . 303
Vergleich der Zersetzung bei den drei Aufarbeitungsweisen 306
VI. Chlorophyll in alkoholischer Losung . . . . . . . . . . . 307
VII. Schutz des kolloiden Chlorophylls vor der Zersetzung durch Kohlensaure 309
Bestimmung des Chlorophylls neben Phaophytin S. 309. Zusatz von
Magnesiumcarbonat S. 310. Zusatz von Gelatine S. 3I3.
Fiinfte Abhandlung:
Uber die Konstanz des assimilatorischen Koeffizienten bei gesteigerter
Assimilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
I. Theoretischer Teil. . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Die Frage der stufenweisen Entbindung des Sauerstoffs 315
Zur Geschichte des assimilatorischen Koeffizienten. . 319
Die Bestimmung des assimilatorischen Koeffizienten . 325
Konstanz des Koeffizienten . . . . . . . . . . . . 327
II. Die Untersuchungsmethode . . . . . . . . . . . . . 328
III. Der assimilatorische Koeffizient unier Bedingungen gesteigerter Assimilation
bei verschiedenen Temperaturen . . . . . . . . . . . . . . ..... 332
IV. Der assimilatorische Koeffizient in Fallen scheinbarer Abweichungen von der
Zahl 1,00 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • 338
VIII Inhaltsverzeichnis.
Selte
a) Der Koeffizient in einem Beispiele von Bonnier und Mangin (Hex) 338
b) Der Koeffizient bei den Succulenten ........... 339
Sechste Abhandlung:
fiber die Abhangigkeit der Assimilation von der Anwesenheit kleiner
Sauerstoffmc!ngen . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
I. Theoretischer Teil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344
Assimilation bei Abwesenheit freien Sauerstoffs 344
Altere Versuche iiber Assimilation bei Sauerstoffmangel 345
Assimilation nach Entziehung von freiem und von gebundenem Sauerstoff 349
II. Experimenteller Teil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 354
A. Assimilation in sauerstoffarmer Atmosphare ..... . 354
B. Stillstand der Assimilation in sauerstofffreier Atmosphare 355
Versuchsanordnung S. 355.
C. Stillstand und Wiederbelebung der Assimilation in sauerstofffreier
Atmosphare. . . . . . . . . .
Siebente Abhandlung:
Untersuchung tiber Zwischenstufen der Assimilation . . ......... 371
I. Vber die Reduktion der Kohlensaure ohne Mitwirkung des Chlorophylls 371
II. Uber das Vorkommen von Formaldehyd in den griinen Pflanzenteilen 376
Ober die Bedeutung der Frage fiir die Assimilationstheorie . 376
Zur Geschichte des Formaldehydnachweises in den Blattern 381
Bemerkungen zur Farbreaktion mit fuchsinschwefliger Saure 387
III. Versuche iiber den Formaldehydgehalt von Chlorophyll .... 390
Priifung des Chlorophylls nach Schryver S. 393. Priifung der kolloiden
Chlorophyllosung auf Formaldehyd S. 394. Verhalten von kolloidem Chlorophyll
gegen Formaldehyd S. 394.
IV. Die Frage der Bildung von Formaldehyd und Hydroperoxyd aus Kohlen
saure unter Chlorophyllwirkung aul3erhalb der Pflanze. . . . . . . . . 395
Ober die Untersuchungen von Usher und Priestley und von Schryver 395
Assimilationsversuche mit kolloidem Chlorophyll ........... 399
Nachweis von Hydroperoxyd und anderen loslichen Peroxyden S. 400.
Versuche mit Chlorophyll ohne Enzym S. 402. Versuche unter Zusatz von
Katalase S. 404.
Uber das Assimilationsexperiment von Choda t und Schweizer
V. Die Frage der Formaldehydbildung aus Chlorophyll . . .... .
Versuche zur Oxydation des Chlorophylls im Lichte . . . .. .
VI. Dber das Verhalten der Chlorophyllkohlensaureverbindung im Lichte
A. Theoretischer Teil ....
B. Dber Peroxydase . . . . 420
Darstellung des Enzyms 420
Bestimmung der Peroxydasewirkung. 423
C. Versuche mit Chlorophyll und Kohlensaure bei Gegenwart von Peroxydase 427
Die Versuchsanordnung. . . . . . . . . 427
Versuche bei Zutritt von Sauerstoff. . .
Versuche unter Ausschlul3 von Sauerstoff 431
SchluBwort . 433
Autorenregister 438
Sachregister . .
Erste Abhandlung .
. .
Uber die Konstanz des Chlorophyllgehaltes wahrend
der Assimilation.
I. Einleitung.
J
Chlorophyll ist erst seit einigen ahren als Substanz bekannt. Wahrend
es frtiher zweifelhaft war, ob es ein Chlorophyll gabe oder mehrere ahn
liehe Pigmente oder eine groBe Anzahl von Blattfarbstoffen, sind vor
,
kurzem Methoden gesehaffen worden, urn die Blattfarbstoffe beliebiger
Herkunft vergleichend zu untersuehen. Es war fUr diesen Zweek nieht
notig, das Chlorophyll in unveranderter Form aus der Pflanze zu isolieren.
Noeh bevor diese Aufgabe gelost, war, konnte dureh eharakteristisehe
Abbauprodukte, namlieh dureh die in alkaliseher Losung entstehenden
Phylline, Carbonsauren mit komplex gebundenem Magnesium, und
dureh den von Saure gebildeten magnesiumfreien Phytolester Phaophytin
der assimilatorisehe Farbstoff in seiner ehemisehen Eigenart besehrieben
und identifiziert werden. Der Vergleich hat sich auf mehr als zweihundert
Pflanzen aus vielen Klassen der Kryptoga:men und Phanerogame n er
streekt. Darunter waren Pflanzen aus den versehiedensten Lebens
bedingungen, Meeresalgen, StiBwasserpflanzen und Landpflanzen, ein
heimisehe und tropisehe Gewaehse. Das Ergebnis war die Identitat des
Chlorophylls in allen untersuehten Pflanzen.
Das Chlorophyll ist hinsichtlieh seiner Zusammensetzung, seiner
chemisehen, Eigensehaften und der wesentliehen Ztige semer Struktur
Willsta t ter-Stoll. Assimilation. I
2 R. Willstatter und A. Stoll.
erforscht worden es wurde in reinem Zustand zuganglich und man
1);
erkannte es als ein Gemisch zweier Farbstoffe, der Komponenten a und b,
die sich trennen lieBen. Das blaugrune Chlorophyll a und das gelbgrune
Chlorophyll b sind komplexe Magnesiumverbindungen von ahnlicher Zu
sammensetzung:
Chlorophyll a [MgN4Ca2HaoO]C02CHa· C02C20H39'
Chlorophyll b [MgN4Ca2H2s02]C02CHa· C02C2oHa9.
Es ist zwar noch nicht moglich, diese beiden Komponenten ineinander
uberzufUhren, sie sind aber zu identischen Verbindungen, die ihnen noch
nahestehen, abgebaut worden, so daB man auf die Verwandtschaft
ihrer Konstitution daraus schlieBen darf.
In den Chloroplasten werden die Chlorophyllfarbstoffe stets von zwei
gelben Pigmenten begleitet, von dem Kohlenwasserstoff Carotin, des sen
Zusammensetzung C4oH56 ist, und der Sauerstoffverbindung Xantho
phyll von der Formel C4oH5602; zu diesen gesellt sich in der Klasse der
Phaophyceen noch ein drittes Carotinoid, das Fucoxanthin.
Die Isolierung der einzelnen Blattfarbstoffe bot uns die Grundlage
fUr Methoden ihrer quantitativen Bestimmung. Die erste An
wendung von den auf colorimetrischem Prinzipe beruhenden Bestirri
mungen, die wir schon mitgeteilt haben 2) und mit einigen Verbesserungen
im folgenden genauer beschreiben wollen, betraf den Chlorophyllgehalt
der Blatter und das Komponentenverhaltnis des Pigmentgemisches. An
das Ergebnis der Analysen knupfen die folgenden Abhandlungen an, in
welchen die chemischen Einrichtungen des Assimilationsapparates ein
gehender untersucht werden sollen.
Der Chlorophyllgehalt normal gruner Blatter von sehr verschie
denen Pflanzen betragt zumeist etwa 0,8 Prozent des Trockengewichts
und er bewegt sich in ziemlich engen Grenzen, namlich im allgemeinen
zwischen
1) Die Ergebnisse sind kurz zusarnrnengefaBt von R. Wills tatter, Ber. d. deutsch.
chern. Ges. 47, 283I [I914J und ausflihrlicher von R. Willstatter und A. Stoll in dern Buche
"Untersuchungen liber Chlorophyll" (Berlin 1913).
2) R. Willstatter und A. Stoll, Untersuchungen liber Chlorophyll, IV. Abschnitt.