Zeitschrift fiir vergleichende Physiologie 57, 2 4 4 ~ 2 6 2 (1967)
Zur Analyse der Wirkung yon Lichtpulsen auf das Schltipfen von Drosophilapseudoobscura H A N s - W m L I HOZCEGGE~ Botanisches I n s t i t u t der Universit~t Tiibingen Eingegangen am 8. August 1967
Analysis o/ the E//ect o] Light Pulses on the Eclosion Rhythm o/Drosophila pseudoobscura Summary. I n a culture of Drosophila pseudoobscura, grown in continuous darkness a n d constant t e m p e r a t u r e (20 ~ C) a light pulse of 5 rain induces a circadian r h y t h m i c i t y of eclosion. The position of the resulting peaks is compared with the peaks of the following two experimental conditions: a) Culturing of the flies in continuous darkness, followed b y a transfer to continuous light ("light on-step ") and b) culturing of flies in continuous light and transfer to continuous darkness ("light off-step"). F r o m the results obtained the following conclusions are drawn: 1. The position of the peaks induced by a single light pulse is not the result of a superposition of the eclosion of two populations, one of which using the " l i g h t on-step ", the other one using the " l i g h t off-step" of the light pulse for the induction of its eclosion r h y t h m . 2. Tile position is the result of a n interaction of " l i g h t o n " a n d " l i g h t off" - signals in the individual Drosophila, since the eclosion peaks occur between the eclosion peaks induced b y a " l i g h t on-step" a n d the eclosion peaks induced b y a " l i g h t off-step". An interaction of " l i g h t o n " - - a n d " l i g h t off" - - effects m a y also explain results of experiments in which a second light pulse was given a t certain intervals after the first one. A third light pulse can be given in such a way t h a t it increases the effect either the first or t h e second pulse. The interaction of " l i g h t o n " - - and " l i g h t off" - - signals seems also to be responsible for the position of eclosion peaks in more complicated light programms such as the on used for estimating the phase response curve of Drosophila pseudoobscura (PITTE~qDRIG~and MI~IS, 1964).
Zusammen[assung. 1. Ein 5minfitiger Liehtpuls induziert in DauerdunkePKult u r e n yon Drosophila pseudoobscura eine circadiane Schlfipfrhythmik. Ihre Maxima liegen zwischen solchen Maxima, die m a n erhKlt, wenn start eines Lichtpulses n u t die Stufe ,,Licht-An" oder die Stale ,,Licht-Aus" gegeben wird. 2. Folgt auf den ersten Lichtpuls ein zweiter mit verschiedenem A b s t a n d zum ersten, so werden die Schliipfmaxima im Vergleich zu denen nach einem Lichtpuls charakteristisch verschoben. Ihre Lage wird durch die An- u n d Aus-Maxima beider Lichtpulse bestimmt. 3. Wird ein dritter Lichtpuls so gegeben, dal3 die aufgrund seiner An- u n d AusStufen zu erwartenden Maxima entweder die des ersten oder zweiten Pulses verstKrken, so ergeben sich Verschiebungen in der erwarteten t~ichtung.
Wirkung yon Liehtpulsen auf das Schliipfen yon Drosophila
245
4. Aus der Lage der nach den Lichtpulsen erwarteten An- und Aus-Maxima IgBt sich fiir die Lage des Schlfipfmaximums, das dureh 2 oder 3 Lichtpulse induziert wird, ein theoretischer Wert berechnen. Diese~ ist yon den experimentell ermittelten signifikant verschieden. Die Abweiehungen lassen Rfickschliisse zu, welche der im Belichtungsprogramm enthaltenen An- und Aus-Maxima zur Wirkung kamen. 5. Die Schliipfverteflungen naeh Lichtpulsen lassen sich nicht als Superposition zweier Populationsgruppen erkl~ren, die sich nach Licht-An oder nach Licht-Aus richten. u mfissen sie dureh das Zusammenwirken eines An- und eines Aus-Effektes in den Einzeltieren zustande kommen. Das kann auf der Basis yon Oscillatoren verstanden werden. 6. Auch die Lage der ScMfipfmaxima, welehe durch einen LD-Wechse112:12 Std und St6rlicht im anschliel]enden DD induziert werden (lflassische Response-Kurve nach PITTE~DRIG~), lgBt sich durch das Zusammenwirken bestimmter An- und Aus-Maxima erkl~ren (Abb. 6).
I. Einleitung Bei Drosophila pseudoobscura und bei Kalanchoe bloss/eldiana k a n n sowohl der t3bergang y o n I)auerlicht (LL) nach Dauerdunkel (DD) als auch der y o n D D nach L L eine circadiane Schlfipfrhythmik bzw. eine circadiane Blfitenblattbewegung induzieren, die bei beiden Objekten bis fiber das sechste M a x i m u m hinaus zu verfolgen ist (EI~GELMA~N, 1966). Aus seinen E x p e r i m e n t e n mit verschieden langen Licht- u n d Dunkelpulsen 1 im DI) bzw. L L folgerte E~Ov,L M A ~ (1966), dab die durch diese Pulse induzierten Schlfipfmaxima sich als l~berlagerung der Maxima der Anu n d A u s - R h y t h m i k 2 erkl~iren lassen. Aufgabe dieser Arbeit war erstens, ENGEL~IANNs Versuche Lichtpulse, die kiirzer als 15 min sind, auszudehnen.
auf
Zweitens sollte gepriift werden, ob erh6hte Schlfipfh/~ufigkeiten einer Population zu den Zeitpunkten auftreten, an denen sie atffgrund des Zusammenwirkens aller An- und A u s - R h y t h m e n zu erwarten sind, wenn mehrere kurze Lichtpulse geboten werden. Drittens kSnnte die durch kurze Lichtpulse induzierte Schl/ipfr h y t h m i k auf zweierlei Weisen gedeutet werden: E n t w e d e r die R h y t h mik ist eine ()berlagerung y o n zwei Teflpopulationen, y o n denen die eine durch die An-Stufe, die andere d u t c h die Aus-Stufe synchronisiert wurde, oder die R h y t h m i k beruht auf dem Zusammenwirken y o n Anund Aus-Effekten in jedem Einzeltier. Die bier beschriebenen Versuche ermSglichen eine Entscheidung zugunsten der zweiten Deutung. x Als Lichtpu]s wird die Unterbrechung yon Dunkelheit durch Licht ffir eine bestimmte Zeitspanne bezeichnet (Asc~oFF, 1965, S. 97); entsprechendes gilt ffir den Dunkelpuls. 2 Als An-Rhythmik wird die durch das Einschalten des Lichtes ausgel6ste Schliipffhythmik bezeichnet, ihre Maxima als An-Maxima. Entsprechendes gilt fiir die durch das Ausschalten des Liehtes induzierte Rhythmik. 17b Z. vergl. Physiol.,Bd. 57
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tt.-W. HO~EGG~n:
II. Material und Methoden Versuehsobjekt war Drosophila pseudoobscura aus dem Laboratorinm yon C. S. PITTE~DRIG~. Die Larven wurden wie fiblieh (vgl. S P ~ c E n in DEMEnEC, 1950) in Joghurtgl~sern aufgezogen. Die Gl~ser waren mit Schaumgummistop~en verschlossen. Die Versuchskulturen befanden sich yon der Eiablage an im DD in Klimakammern bei 20 ~ C ~ 0,2 ~ C.
1. Statistik und Maflzahlen Die vorliegenden Schlfipfverteiinngen sind, soweit nicht anders angegeben, ~berlagerungskurven aus mehreren Versuchen. Ihre Medianwerte und Standardabweichungen wurden mit Hilfe yon Wahrscheinlichkeitspapier ermittelt. Viele der Verteilungen sind linksseitig asymmetrisch. I)iese Kurven lie~en sich auf Wahrscheinlichkeitspapier mit logarithmisch eingeteilter Abszissen~chse zu Geraden transformieren, aus denen die Medianwerte und die Standardabweichungen direkt bestimmbar waren. Die zeitlichen Lagen der Schliipfmaxima sind immer die Medianwerte yon entsprechenden Schlfipfverteilungen zwischen zwei benachbarten Minima. Das arithmetische Mitte] der einem odor mehreren Lichtpulsen zugeh5rigen An-AusMaxima ergibt bestimmte Erwartungs- odor Sollwerte. ])iese wurden im t-Test (,,tIypothese fiber den Mittelwert einer Normalverteilung bei unbekannter Streuung", E. WEBER, 1965, Kap. 23, S. 151/154) gegen die Mittelwerte der experimentell erhaltenen Schlfipfverteilungen getestet. Es sollten weiterhin Verteilungen, die aus verschiedenen Pulsbedingungen resultierten, daraufhin geprii~t werden, ob sie derselben Grundgesamtheit angeh5ren. Als Test wurde der Chi-Quadrat-Test ~ngewendet, zur Berechnung yon Chi-Quadrat die Formel nach BnANDT-S~EDECOn (E. W~BER, 1965, S. 392 und 394). Die Standardabweichung charakterisiert die Breite einer Schliipfverteilung zwischen zwei benachbarten Minima und ist somit ein Mal~ ffir deren Synchronisation. Ffir den statistischen Vergleich der Synchronisationswirkung zweier Lichtpulse wurde eine andere Gr5~e gew~hlt. Sie ergibt sich aus der Differenz des prozentualen Anteils der geschlfipften Tiere im Maximum und den beiden benachbarten, gemittelten Minima; 100% ist jeweils die Gesamtzahl der zwischen zwei benachbarten Minima geschlfipften Fliegen. Diese Di//erenz soll als D- Wert bezeichnet werden. In allen Versuchen fiber die Wirksamkeit eines Pulses wurde der I)-Wert des 4. Maximums angegeben. Der D-Weft repr~sentiert zugleich die Schwingungsbreite der Populationsschwingung im Bereich der einzelnen Maxima. Er stellt definitionsgem~l~ die doppe]te Amplitude einer Schwingung dar. (Zur Definition der Amplitude s. ASC~OFF, KLOTTEn und W~VER, 1965.) Im allgemeinen sind auch die Dunkelkontrollen schwach synchronisiert. Die maximale Zahl an Fliegen schlfipft bei den im DD gehaltenen Kulturen gew5hnlich gegen Mittag zwischen 11 und 14 Uhr. Am 4. Tag nach Z~hlbeginn hat der aus 10 Dunkelkontrollen gemittelte D-Wert der Schlfipfverteilung zwischen zwei benachbarten, schwaeh ausgepr~gten Minima die Gr5~e 3,1, der gr5~te D-Wert ist 3,9. So]lte darum ein Schlfipfmaximum als solches gewertet werden, ganz gleich in we]cher Phasenbeziehung zu einem Puls es erscheint, muBte sein D einen festgesetzten Wert von 4 fibersehreiten.
Wirkung yon Liehtpulsen auf das Schliipfen yon Drosophila
247
2. Lichtpulse Alle Lichtpulse wurden je nach Fr~gestellung entweder 1--2 Tage vor dem Schliipfen oder w~hrend des Sch]fipfens der ersten Fliegen in einer Monochromatoranlage (Mona und SCHOS~R, 1959 und 1960) gegeben. In Vorversuchen hatte sich gezeigt, dM~ mit Wellenl~ngen zwischen 340 und 501 nm das Schlfipfen yon DD-Kulturen gleichermM3en stark synchronisiert werden kann, nicht aber durch l~ngere Wellenl~ngen zwischen 545 und 730 nm (getestet mit dem Mann-Whitney-U-Test, c~= 0,05). Diese Versuche wurden mit Interferenzlinienfiltern der F~. Schott und mit ann~hernd quantengleichem Licht durchgeffihrt. Die Bezugsenergie betrug 348 erg/cm 2. sec bei 340 nm, die Beliehtungsdauer 2,5 rain. I)a sich in den Philips-Leuchtstofflampen TL/20 W eine Strahlungsquelle im unwirksamen Rotbereich mit relativ schmMer Kennlinie, maximale Durchl~ssigkeit bei 685 nm, anbietet (vgL die ,,Philips-Licht-Unterlagen"), wurde Rotlicht als "sa/elight", d.h. (zur Versuchserleichterung) anstelle yon DD verwendet. Bei Versuehen mit einem oder mehreren Lichtpulsen wurden Breitbandinterferenzfilter der Fa. Balzer-Liechtenstein mit maximMer Durchl~ssigkeit bei 449 nm, Halbwertsbreite 39 nm, verwendet. Mit einem Puls yon 2,5 rain Bauer bei 100 erg/cm2.sec ist bereits Siittigung erreicht. Die D-Werte bei dieser Reizst~rke unterscheiden sich nicht yon solchen mit 10000 erg/cm2"see bei 2,5 min Belichtungsdauer (D-Werte des 4. Maximums im Mann-Whitney-U-Test bei ~ = 0,05 abgesichert). In den Lichtpulsversuchen batten die Pulse, wenn nicht anders angegeben, eine Energie yon 10000 erg/cm~-sec bei 5 rain Belichtungsdauer, d.h. es wurde im S~ttigungsbereich gearbeitet.
III. Charakterisierung der An- und Aus-Rhythmik a) D u r c h d e n ~ b e r g a n g y o n D D n a c h L L u n d u m g e k e h r t y o n L L n a c h D D w e r d e n S c h l f i p f r h y t h m e n m i t verschiedenen Schwingungsp a r a m e t e r n induziert. Die M e d i a n w e r t e d e r Schlfipfverteilungen zwischen zwei b e n a c h b a r t e n M i n i m a nach der Stufe ,,An" w e r d e n als ,,AnMaxima" bezeichnet, die a u f e i n a n d e r folgenden M a x i m a m i t den fortl a u f e n d e n Ziffern u n d d e m B u c h s t a b e n A, also A1, A2, A3, A4, A5, A 6 gekennzeichnet. E n t s p r e c h e n d w e r d e n die M e d i a n w e r t e der Schliipfverteilungen zwischen zwei b e n a c h b a r t e n M i n i m a nach d e r Stufe ,,Aus" als ,,AusMaxima" bezeichnet, die a u f e i n a n d e r f o l g e n d e n M a x i m a ebenfalls m i t d e n f o r t l a u f e n d e n Ziffern u n d d e m B u c h s t a b e n Z, also Z 1, Z2, Z 3, Z4, Z5, Z 6 b e n a n n t . b) I n n e r h M b d e r e r s t e n S t u n d e nach der Stufe ,,Licht An" schlfipfen in einer i m D D ausgeschwungenen P o p u l a t i o n m e h r Tiere Ms i m DD. Dieser erste s t a r k e A n s t i e g schcint eine d i r e k t e R e a k t i o n schliipfbereiter Tiere auf die l%eizstufe zu sein u n d h a t m i t d e r ausgel5sten R h y t h m i k nichts zu f u n k E s ist d a h e r berechtigt, die M a x i m a d e r An- u n d Aus-l%hythmik wie in Tabelle 1 zu ordnen. a Zu dieser Deutung pM~t es, dab eine Dunkelzeit yon 3 Std das Schlfipfen stark hemmt (HE~GST, 1967).
248
H.-W. HO~GG~R:
Tabelle 1. Daten der An- und Aus-Maxima: Die nach der Reizstu/e ,,An" au]einander/olgenden Maxima sind dutch A 1 ... A 6 gJcennzeichnet, die nach der Reizstu/e ,,Aus" au]einander/olgenden Maxima mit Z 1 . . . Z 6. Die zeitliehe Lage der Maxima ist ihr Abstand von der Relzstu]e (Zeitpunkt O) in Stunden. Die Standardabweichungen sind ein Marl ]i~r die Gi~te der Synehronisation der Sehli~p/verteilungen im Bereich der einzelnen Maxima. Die D-Werte sind die Di/]erenz des prozentualen Anteils der geschli~p/ten Fliegen im Maximum und den beiden benachbarten Minima bezogen au] die Gesamtzahl der zwischen 2 Minima geschliipflen Tiere. Sie sind ein Marl /iir die Schwingungsbreite. Diese ist gleich der doppelten Amplitude. Es kann deshalb yon den D-Werten die AmplitudengrSfle abgeleitet werden (s. MethodiIc, 1.). Die Periodenlgingen sind ab A 1 bzw. Z 1 die Ent/ernungen der benachbarten Maxima voneinander
A1 Zeitliche Lage der An-SIaxima in Std nach der Stufe ,,Licht an" Standard~bweichung D-Wert, Schwingungsbreite Periodenl~ngen in Std
A3
21,3 49,4 76 7,8 5,3 -Z1
Zeitliche Lage der Aus-Maxima in S~d nach der Stufe ,,Licht aus" Standardabweichung D-Wert, Schwingungsbreite Periodenl~ngen in Std
A2
A5
A6
100,4 125,1 148
4,9 4,9 8,6 8,3 2 1 , 1 26,6
5,6 6 6,6 5,7 5,6 4,4 24,4 24,7 22,9
Z2
Z4
Z3
15,5 3 8 , 3 63,2 7,9 3,5 --
A4
3,9 3,3 9 10,9 2 2 , 8 24,9
Z5
Z6
88,7 112,8 136,3 2,8 2,9 2,4 14,1 17 15,4 25,5 24,1 23,7
c) Die An- und A u s - R h y t h m e n unterscheiden sich in der Zeitdifferenz zwischen dem auslSsenden Stufenreiz und dem ersten Maximum, in den Schwingungsbreiten und in der ~ d e r u n g der Periodenl~ngen. Das erste Aus-Maximum liegt 5,8 Std vor dem ersten An-Maximum. Anschliel~end betr~gt der Gangunterschied zwischen der An- und der Aus-Rhythmik im Mittel 11,9 Std. Die Lage der Maxima nach dem Aus-Signal entspricht ungef~hr der bei PITTV,ND~IG~, 1966, Abb. 4. Die Schwingungsbreiten (D-Werte, s. I I , 1.) und damR die Amplituden der Aus-Rhythmik sind wesentlich grSl~er, der Grad der D~mpfung (Abnahme yon D) ist geringer als bei der An-Rhythmik. Die Periodenl~ngen der A n - R h y t h m i k werden zuerst l~nger, dann wieder kfirzer. Diese Tendenz zeigt die Aus-Rhythmik ebenfalls, sie ist jedoch schwi~cher ausgepr~gt. I m Bereich des ersten Maximums ist sowohl bei der An- als auch bei der Aus-I~hythmik die Synchronisation schlecht. Die Standardabweichung fiir die Schltipfverteilungen zwischen zwei benachbartcn
Wirkung von Lichtpulsen auf das Sehliipfen von Drosophila
249
Minima naeh dem An-Signal wird gr613er. Dies sprieht) ffir eine Desynehronisat~ion der Sehliipfereignisse in der Population. Diese Desynchronisation ist nach der Aus-Stufe bis zum seehsten Maximum nioht zu verzeiehnen. qoo 350
3oo
250 200
150
50
20
~
60
(90
~00
~20
~
h
Abb. 1. Schliipfrhythmik yon Dro.sophila pseudoobscura nach einem Lichtpu]s yon 5 rain Dauer. t~berlagerung yon 10 Einzelversuehen. Abszisse: Zeit in Stunden nach dem Puls; Ordinate: Zah| der geschliipften Tiere pro Std. Lichtpu]s als Unterbrechung der Abszisse markiert. Beaehte die Doppelgipfeligkeit des ersten Maximums und die Ver~nderung der Amplituden der Schlfipfverteilungen IV. Versuehe und Ergebnisse 1. Versuche mit einem Lichtpuls Wie Abb. 1 zeigt, induziert ein 5minfi~iger Lichtpuls in einer DDKultur yon Drosophila pseudoobscura eine ausgepr~gte Schlfipfrhythmik. Die Da$en der Schlfipfverteflung sind in Tabelle 2 zusammengefa$t. Aus Abb. 1 mad Tabelle 2 ist zu entnehmen: a) Das erste Maximum ist doppelgipfelig, es scheint sich aus zwei Populationsgruppen zusammenzusetzen, yon denen sich die eine nach dem ersten Aus-Maximum, die andere, wenn auch ungenau, nach dem ersten An-Maximum richter (vgl. Tabelle 2a, d, e). b) Alle anderen Maxima sind eingip/elig. Die Schlfipfverteilung im Bereieh des vierten Maximums ist am besten synchronisiert (kleinstes 8, grS/~tes D). Aus diesem Grunde wurde beim Vergleich der Wirkuug quantitativ und qualitativ verschiedener Reize immer nur das vierte Maximum berfieksiehtigt.
250
H.-W. H o ~ o o ~ :
Tabe]le 2. Daten der dutch einen 5miniitigen Lichtpuls induzierten Schli~p]rhythmilc. a) Medianwerte der Schli~p/verteilungen zwischen zwei benachbarten Minima in Stunden nach dem Lichtpuls. b) D- Weft als Marl ]i~r die Schwingungsbreite und damit Amplitude (vgl. Legende zu Tabelle 1). c) Standardabweichung aIs Marl /i~r die Synchronisation der Schliip/verteilungen zwischen zwei benachbarten Minima. Zum Vergleich sind die Zeitwerte der Maxima der An- (d) und Aus- (e)-Rhythmik angegeben, ihr Gangunterschied (]) und das arithmetische Mittel aus d und e
1. lgs~x.
2. Max. 3. M~x. 4. 5~ax. 5. Max. 6. M~x.
a) Lage der Maxima 14,5 24,0 der Abb. 1 in Std nach dem Lichtpuls b) D-Werte 9,2 6,5 c) Standard2,8 4,3 abweichung s
44,3
67,8
92,6
116,2
139,9
7,8 5,1
11,3 3,6
12,4 3,4
12,1 3,5
10,8 4,1
d) L~ge der AnMaxima in Std nach der Reizstufe ,,An"
49,4
76
100,4
125,1
148,0
38,3
63,2
88,7
112,8
136,3
11,1
12,8
11,7
12,3
11,7
43,9
69,6
94,6
118,9
142,3
21,3
e) Lage der Aus15,5 Maxima in Std nach der Reizstufe ,~Aus ~
f) Gangunterschied zwischen d und e in Std
g) Arithmetisches
5,8
NIittel aus d und e c) Da bei einem 5minfitigen Lichtpuls die An- und Aus-Stufe nahe beieinanderliegen, werden die durch sie induzierten Schlfipfrhythmen fast gleichzeitig angestol~en. Man erhi~lt also fiir die aufeinanderfolgenden An- und Aus-M~xima 1--6 einen Gangunterschied. Er ist in Tabelle 2, Spalte f, im einzelnen aufgefiihrt und betri~gt im Mittel 11,9 Std. Da aui~erdem die F o r m der Schliipfverteilungen im Bereich der einzelnen An- und Aus-Maxima bek~nnt ist (Tabelle 1), erhi~lt m a n bei deren Superposition eine doppelgipfelige Summenkurve (graphisehe Summation der An- und Aus-Sehliipfverteilung). Naeh einem 5miniitigen Lichtpuls liegt aber eine eingipfelige, gut synehronisierte Sehliipfverteilung vor. Daraus folgt zwingend, dal~ die dureh einen kurzen Lichtpuls induzierte Schliipfrhythmik nicht durch eine additive (~berlagerung der Populationen, die sich nach , , A n " oder ,,Aus" riehten, entstanden sein kann. d) Alle Maxima der Abb. 1 liegen in der N~he der arithmetisehen Mittel aus den An-Aus-M~xima Z 1, A 1, Z 2, A2 usw. (vgl. Tabelle 2, a u. g). I m t-Test zeigt nur das zweite Maximum eine gute (~bereinstimmung
Wirkung von Lichtpulsen auf das Schltipfen yon Drosophila
251
mit dem erreehneten Mittelwert ( P ~ 0 . 5 ) (Tabelle 2). Alle anderen Maxima sind in Richtung auf das Aus-Maximum verschoben, die Medianwerte der Sehltipfverteilungen erseheinen friiher als sie aufgrund der Mittelung der An- und Aus-Maxim~ auftreten dtirften. Wiirde dem Aus-Maximum bei der Bildung des arithmetisehen Mittels ein grSl3eres Gewieht beigemessen, so erg~be sieh eine bessere Ubereinstimmung zwisehen den experimentell ermittelten Werten und den errechneten. Prinzipiell ist natiirlich auch denkbar, dal~ das friihere Erseheinen der Maxima durch eine Verkiirzung der Periodenlange der An-Rhythmik nach einem Liehtpuls im DD zustande kommt. Versuche mit einer Lichtpulsdauer yon 1,5 sec: Es wurden 4 Versuche dieser Pulsdauer bei 10000 erg/cmU.sec durchgeftihrt. Das 4. Maximum der 4 Versuche war in jedem FMle zum Aus-M~ximumhin verschoben. Seine L~ge in den einzelnen Versuchenwar: 91,3, 89,9, 90,8, 90,5 Std nach dem Puls. Nach dem Chi-Quadrat-Test kann nur die dem Wert 91,3 entspreehende Verteilung der gleiehen Grundgesamtheit entstammen wie die Verteilung der Abb. 1 ( P ~ 0,3). Die P-Werte fiir die anderen Verteilungen sind ftir 89,9: P ~ 0,001; fiir 90,8: P>0,025; Iflr 90,5: P > 0,01. Bei kiirzer werdenden Lichtpulsen muB also den Aus-Maxima ein grSl3eres Gewieht beigemessen werden als bei 15ngeren Lichtpulsen, wenn die errechneten mit den im Experiment gefundenen Mittelwerten ~ibereinstimmen sollen.
2. Versuche mit zwei Lichtpulsen Nach einem ersten Lichtpuls wurde ein zweiter g]eiehartiger Puls (s. Methodik) in verschieden grol~en Zeitabsti~nden A t gegeben. Die daraus resultierenden Sehltipfverteilungen sind in Abb. 2 an einigen repr~sentativen Einzelversuchen gezeigt. Deutliche Sehliipfmaxima treten ungefithr 50 Std nach dem ersten Lichtpuls auf. Sie sind dann in allen Fallen - - wie nach einem Liehtpuls - - gut synchronisiert. Zwischen 0 und 50 Std (bezogen auf den ersten Liehtpuls) besteht Mlerdings die Tendenz, an manchen Stellen geh~uft zu schliipfen. Ob solehe Stellen Ms Maxima gewertet werden, entscheidet der D-Wert. Er muff die GrSl3e D = 4 iiberschreiten (s. II., 1.). Die Maxima aller Versuehe mit zwei Lichtpulsen sind in Abb. 3 Ms Dreieeke in einen Raster eingezeichnet, der die Position der Maxima darste]lt, die man nach den An- und Aus-Signalen der beiden Lichtpulse erwartet. Die Zonen zwisehen den Geraden Z1 A1, Z2 A2 usw. sowie zwischen Y 1 B 1, Y2 B 2 usw. des zweiten Lichtpulses in Abb. 3 werdell als ,,Gates" bezeichnet (PITTENDRIGH, 1966; ENGELMA]~k~und HO~]~GG]~IL 1967). a) Abgesehen davon, dal~ auch naeh zwei Liehtpulsen die Sehl/ipfverteilungen durehweg eingipfelig sind (Ausnahme A t I 1 h) also kauln dureh Uber]agerung yon Populationen erkli~rt werden k6nnen, gib~ es nach einem Zweipulsprogramm eia weiteres Kriterium fiir oder gegen das Superpositionsprinzip. Bei Versuchen mit zwei Lichtpulsen muB
H.-W. HONEGGER:
252
~0
60
7h
~0 20 14h
60 q-O 20
Th
60 ~-0 20
0
33h 20
@
60
80
100
120
1#0
160h nachLP1
Abb. 2. Lage tier Sehliipfmaxima nach zwei 5miniitigen Lichtpulsen mit versehiedenem Abstand At voneinander, sonst DD. Abszisse und Ordinate wie in Abb. 1. Liehtpulse als Unterbreehungen der x-Aehse markiert und tier Abstand A t gekennzeichnet. Zu Beginn des Schliipfens sind keine deutlichen Maxima erkennbar. AuSer bei • t = 14 h tritt das erste markante Maximum bei den 3 anderen dargestellten Kurven zwisehen 40 und 50 Std naeh dem ersten Liehtimpuls auf. Bei A t = 14 h sind bier zwei Maxima registriert. Die nun folgenden Maxima sind deft gegenfiber denen tier anderen Pulsbedingungen stark verschoben n a e h WwVER (1965) i m steady state - - w e n a sieh ein stabiler Phasenwinkel zwisehen K o n t r o l l m a x i m u m (nach einem Lichtpuls) u n d d e n M a x i m a n a e h zwei L i c h t p u l s e n eingestellt h a t - - i m Falle y o n P o p u l a tionsereignissen, alleia der zweite Liehtpuls fiir die Lage der M a x i m a v e r a n t w o r t l i c h sein. Wie aus Abb. 3 zu e n t n e h m e n ist, ist s t e a d y state schon ffir die M a x i m a i m Gate Y 3 B 3 erreieht. Aus dem Verlauf der Maximafolge i n n e r h a l b der Ga~es Y3, 4, 5, B3, 4, 5 k a n n geschlossen werden, d a b die d u r c h zwei Lichtpulse i n d u z i e r t e n Schlfipfmaxima y o n d e n A n - A u s - M a x i m a beider Pulse beeinfluB~ werden. W e n n sieh die
Wirkung yon Liehtpulsen auf das Sehliipfen yon
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Y~
'A6 B~ Ys 140 h noch LP~ ~Z6
Abb. 3. Zeitliche Lage der Schliipfmaxima (A), induziert durch einen Lichtpuls (LP1, senkrechte Doppellinie), gegeben zum Zeitpunkt 0 und einen zusgtzlichen zweiten Liehtpuls (LP2, schr~ge Doppellinie), wobei der zeitliche Abstand At zwisehen LP 1 und L P 2 yon oben naeh unten yon 0--33 Std zunimmt und auf der Ordinate aufgetragen ist. Im Schema ist fiir LP1 dureh senkrechte, fiir LP2 dutch sehrgge Linien angegeben, wo die Maxima liegen miigten, wenn man annimmt, dag die ,,Lieht-An-Stufe" bzw. ,,Lieht-Aus-Stufe" eines LP allein eine I~hythmik induzieren. A1 . . . . . A6: Erwartete Lage der Maxima der dureh die An-Stufe des LP 1 induzierten Rhythmik. Z 1. . . . . Z 6: Entspreehend fiir die dutch die Aus-Stufe des LP 1 induzierte Rhythmik. B 1, ..., B6: Erwartete Lage der Maxima der dutch die An-Stufe des LP2 induzierten Rhythmik. u . . . . . u Entspreehend fiir die dureh die Aus-Stufe des LP2 induzierte Rhythmik. Die Aus-Maxima liegen vor den An-Maxima (vgl. Tabelle 1). Die dieke horizontale Linie m~rkiert DR, welches zum Zeitpunkt 0 dureh einen LP yon 5 rain Dauer unterbroehen wurde. Die naeh diesem LP auftretenden Sehliipfmaxima sind als groge Dreieeke oberhalb dieser Linie angegeben. Es sind die Sehliipfmaxima der Abb. 1. Wie man sieht, liegen sie, abgesehen vom ersten Doppelmaximum (vgl. Abb. 1), immer zwisehen den dutch Z n A n ( n - - 1, ..., 6) bzw. fiir LP2 zwisehen den dutch Y n B n ( n = l . . . . . . 6) abgegrenzten Zonen. Sie sollen als ,,Gates" bezeiehnet werden. Gates des LP1 welt sehraffiert, Gates des LP2 eng sehraffiert. Man vergleiehe die Lage der naeh nur einem LP auftretenden Sehltipfmaxima (oberhMb der dieken horizontalen Linie) mit denen naeh zwei LP und beaehte die Position der letzteren innerhalb der Gates des LP 2 Z w e i t p u l s - G a t e s m i t d e n e n des e r s t e n P u l s e s t i b e r s e h n e i d e n , so w e r d e n die M a x i m a i n n e r h a l b d e r Z w e i t p u l s - G a t e s a u f die G a t e s des e r s t e n Pulses hin abgelenkt. E i n e g e n a u e A u s s a g e k a n n a b e t erst m i t H i l f e des t - T e s t e s g e m a e h t w e r d e n (vgl. I I . , 1.). D a b e i w e r d e n die a r i t h m e t i s e h e n M i t t e l d e r Anu n d A u s - M a x i m a , die n a e h d e m z w e i t e n L i e h t p u l s z u e r w a r t e n sind,
254
H.-W. HON~CO]~R:
als t h e o r e t i s c h e M i t t e l w e r t e gegen die e x p e r i m e n t e l l e r h a l t e n e n Mittelw e r t e getestet. Zwischen zJ t 7 u n d 13 h sowie 25 u n d 33 h u n t e r s c h e i d e n sich die t h e o r e t i s c h e n M i t t e l w e r t e aus d e n An- u n d A u s - M a x i m a n u t des zweiten L i c h t p u l s e s signifikant y o n den e x p e r i m e n t e l l gefundenen ( P < 0 , 0 0 1 ) . Zwischen zJ t 14 bis 18 h k S n n t e n die S c h l f i p f m a x i m a jedoch y o n A n u n d A u s n u r des zweiten L i c h t p u l s e s b e s t i m m t w o r d e n sein (0,2 ~ P ~ 0,4), auch bei A t 21 h ist dies gerade noch mSglich (P~-- 0,05). b) E s ist n u n n i c h t einzusehen, w a r u m die L a g e d e r einen M a x i m a m i t t e l s der A n - A u s - S t u f e n n u r des zweiten L i c h t p u l s e s e r k l g r t w e r d e n k a n n , ffir die E r k l ~ r u n g der L a g e y o n a n d e r e n M a x i m a a b e t offensichtlich auch die An- oder A u s - M a x i m a der e r s t e n L i c h t p u l s e hinzugezogen w e r d e n mfissen. D e s h a l b w u r d e n a e h e i n e m ])rinzip gesucht, m i t d e m alle S c h l f i p f m a x i m a d u t c h die Stufen b e i d e r L i c h t p u l s e e r k l g r t w e r d e n kSnnen. Miler m a n d e n A n - A u s - M a x i m a b e i d e r L i c h t p u l s e gleiches G e w i e h t zu, so lassen sich d u r c h b e s t i m m t e K o m b i n a t i o n e n aus i h n e n M i t t e l w e r t e berechnen, die den e x p e r i m e n t e l l g e f u n d e n e n M i t t e l w e r t e n sehr n a h e k o m m e n . I m ungfinstigsten F a l l weichen beide 0,7 S t d vone i n a n d e r ab. I m t-Test e r g i b t sich d a m i t ein P - W e r t ( 0 , 2 < P ~ 1). Die P - W e r t e aller a n d e r e n A n - A u s - K o m b i n a t i o n e n beider L i c h t p u l s e u n t e r schreiten das gewi~hlte S i g n i f i k a n z n i v e a u y o n ~ ~ 0,05. I n A b b . 4 sind diese ,,passenden" A n - A u s - K o m b i n a t i o n e n ( P > 0,05) fiir die M a x i m a i n n e r h a l b des G a t e s Y 5 B 5 dargeste]lt. Sie sind repritsent a t i v ffir die M a x i m a i n n e r h a l b d e r G a t e s i m s t e a d y state. I m einzelnen erh~lt m a n : V o m L i e h t p u l s 1 : Von zJ t 1 bis 11 h d a s Aus- u n d das A n - M a x i m u m , b e i ~ t 12 u n d 13 h n u r das A n - M a x i m u m , bei A t 14 u n d 15 h das AnM a x i m u m u n d das n~chstfolgende A u s - M a x i m u m ; ab z~ t 16 bis 33 h n u r d a s A u s - M a x i m u m ; bei A t 33 h als zweite MSglichkeit d a s Aus- u n d das A n - M a x i m u m Z 6 A 6. V o m L i c h t p u l s 2: Sowohl das An- als a u e h das A u s - M a x i m u m y o n A t 9 bis 33 h, y o n zl t 1 bis 7 h n u r das A u s - M a x i m u m . Diese B e r e c h n u n g s a r t w u r d e a u f g r u n d d e r Uberschneidungsverhi~ltnisse der G a t e s des zweiten Liehtloulses (Schriigfeld) m i t zwei aufeinanderfo]genden Gates v o m ersten L i c h t p u l s (senkrechte F e l d e r ) f/ir d i c h t b e n a c h b a r t ]iegende A n - A u s - M a x i m a gew~hlt. Zwischen z] t 14 und 21 h ]iegen, wie Abb. 3 und 4 zeigen, fiir die An-AusMaxima besondere Symmetrieverh~ltnisse vor, wodurch sich mehrere BerechnungsmSglichkeiten ergeben (sehr ~hnliche t-Werte) : 1. Mitre1 aus An und Aus nur des zweiten Lichtpulses. 2. Mittel aus An und Aus des ersten und zweiten Lichtpulses. 3. Fiir zt t 18 bis 21 h das Mitre] aus An und Aus des zweiten Lichtpulses und Aus des ersten Lichtpulses. In diesem z] t-Bereich kann deshalb nicht entschieden werden, ob nur einer der Lichtpulse oder beide wirksam werden.
Wirkung von Lichtpulsen auf das Schliipfen yon
Drosophila
255
Bei 3 t 11 h ist ab dem Gate Y 3 B 3 die Schliipfverteilung doppdgipfelig. Die Lage des ersten Gipfels im Gate Y 5 B 5 k a n n durch den Mittelwert aus Z5 Y 5 B 5 berechnet werden, die des zweiten Gipfels durch den Mittelwert aus A5 Z6 Y 5 B 5 oder Y 5 B5, stellvertretend fiir die Doppelgipfel aueh in den Gates u B 3 u n d Y 4 B4. Nach A t 33 h = (9+24) h k o m m e n die errechneten Mittelwerte aus den gleichen An-Aus-Kombinationen wie bei A t 9 h den experimentellen am n/~ehsten, versehoben u m ein Gate des ersten Pulses. Das gleiche geht aus einer Messung der Zl A]
Z2
A2
Z3
A3
Z5
AS
9
11 13 15
AS
Z6
33
leil 2 -
0
Z6
,11
2'0
~
6'0
80 110 120
l_
\,
ys 1~.0
\
8s "160}1
Abb. 4. Schema zur Berechnung yon Mittelwerten aus den An- (~) und Aus- ($) Maxima des ersten und zweiten Lichtpulses m i t bestmSglicher 13bereinstimmung zu den experimentell gefundenen Werten (s. Abb. 3). I m t-Test 0,2--< P ~ I . Die Unterbrechung der vertikalen u n d schrggen Geraden, auf denen die An- u n d AusMaxima des ersten und zweiten Lichtpulses liegen, bedeutet, dab ab diesem z~t die folgenden Maxima nicht mehr zum besten theoretischen Mittelwert hinzugezogen werden kSnnen, t, ~: Ab diesem A t mti6ten alle folgenden Maxima in die l~echnung einbezogen werden. Alle /ibrigen Bezeichnungen wie in Abb. 3. Teil 1 : Berechnung fiir Z2 A2 bis Z3 A 3 ; es ist zu beaehten, dal] zwischen A t 1O u n d 15 Std zwei Maxima am linken u n d rechten l~ande des Zweitpuls-Gates Y 2 B 2 auftreten (vgl. Abb. 3). Teil 2: Bereehnung for die Maxima innerhalb des Gates Y 5 B 5 als Beispiel im steady state Sehliipfverteilung naeh , i t 3 6 h ~ ( 1 2 - F 2 4 ) h im VergleJch mit At 1 2 h hervor. Diese Tatsache lgBt sieh darauf zuriickffihren, dab nach einem 24stiindigen Zyklus zur Ausgangssituation analoge Verhgltnisse vorliegen (vgl. Abb. 3). I m Bereich A t - - 1 0 - - 1 5 h des Gates u B 2 treten zwei Schltipfmaxima auf (vgl. Abb. 3). Diejenigen an der Grenze der Gates Z2 A2 und u B 2 zeigen gute ~ b e r e i n s t i m m u n g mit dem Mittel aus diesen An-Aus-Maxima (Abb. 4, Teil 1). Die ngchstfolgenden, an die rechte Grenze des Gates u 2 B 2 versehobenen Maxima stimmen am besten mit dem Mittel aus u B 2 Z3 A3 fiberein. Es ist auffiillig, dal3 diese zwei Maxima n u r dort erscheinen, wo sich das Gate u B 2 des Zweitpulses zwisehen zwei Gates des ersten Pulses befindet. Die zwischen 0 und 40 Std auftretenden Maxima lassen sich nieht ganz sicher b e s t i m m t e n An-Aus-Kombinationen zuordnen. Es besteht jedoch die Tendenz,
256
H.-W. HONEGGER:
innerhalb des ersten Gates des zweiten Pulses gehguft zu sehliipfen, sowie in der N~he des ersten Aus- und des ersten An-Maximums (vgl. Abb. 3). Die ersten deutlichen Maxima der Abb. 2 befinden sieh alle innerhalb des Gates Z2 A2 des ersten Pulses und damit im Bereieh des Kontrollmaximums (vgl. Abb. 3). I n s g e s a m t zeigen die Versuehe m i t zwei Lichtpulsen, ebenso wie die m i t einem Liehtpuls, d a b die a u f t r e t e n d e n Maxima n i e h t dureh die Superposition einer An- u n d einer A u s - P o p u l a t i o n s g r u p p e erkl/~rt werden k 6 n n t n . W i t s t h o n i n der E i n l t i t u n g a n g e d t u t e t w u r d t , muB als Altern a t i v e dazu ein Z u s a m m e n w i r k e n t i n e s An- u n d eints Aus-Effektes i n
Xl Cl
X2
C2
X3
C3
Xg
C~
'7+ 12~5h 2
Z3
3
5 B5
~-
7 h
7+ 5,5 h
30
~
60
75
.90
I()S
189
140h
Abb. 5. t)berlagerung der An- und Aus-Maxima naeh drei Pulsen. ,,Zusammengeh6rende" An- und Aus-Maxima dutch sehwarze Balken gekennzeiehnet. Mittlere Zeile: Zweipulssituation (A t = 7 h). Bezeiehnung der An- und Aus-Maxima wie in Abb. 3. Drifter Puls 12,5 Std naeh dem zweiten gegeben (obere Zeile). Seine Aus-Maxima mit X 1, X 2, X 3 usw., seine An-Maxima mit C 1, C2, C3 usw. benannt. ~ber der mittleren Zeile Maxima der Zweipulssituation (A) und der Dreipulssituation (A), bezeichnet mit I, II, III. Die dureh drei Pulse determinierten Maxima sind zu den An-Aus-Maxima des ersten Pulses hin versehoben, wie erw&rtet. Wird ein dritter Puls 5,5 Std naeh dem zweiten gegeben, so iiberlagern sich seine AusMaxima, W2, W3 etc. und An-Maxima, D2, D3 usw. (untere Zeile) denen des zweiten Pulses. Entspreehend treten die dutch diese drei Liehtpulse determinierten Sehliipfmaxima (A) verspS,tet gegeniiber den Maxima der zwei Pulse auf (A), unterhalb der mittleren Zeile IV, V, VI
d e n E i n z e l t i e r e n &ngenommen werden. Die E r k l ~ r u n g der SchliipL m a x i m a d u r c h theoretische Mittelwerte aus den K o m b i n & t i o n e n b e s t i m m ter An-Aus-M&xima beider Lichtpu]se k 6 n n t e d&nn ein vere~nf&ehtes Schema sein, n a c h d e m die Efs der An- u n d Aus-Sign&]e der Lichtpulse i n E i n z e l t i e r e n ver&rbeitet werden. e) Aus der vorliegenden Analyse sollte es m6glich sein, ffir andere Lichtprogr&mme gewisse Vor&uss&gen s d&s A u f t r e t e n der d u r c h sie i n d u z i e r t e n Schliip~m&xim& zu m&ehen. Z u m Beispiel n&eh drei Liehtpulsen, wobei die z u m d r i t t e n Liehtpuls gehSrenden An- u n d Aus-Maxim& entweder die des ersten oder des zweiten Liehtpulses verst~rken. Die durch drei Pulse i n d u z i e r t e n Maxima mfissen d a n n i m
Wirkung yon Liehtpulsen auI das Schliipfen von Drosophila
257
Vergleich zu denen der Zweipulssituation entweder verfriiht (der erste Puls wird verst~rkt) oder versps (der zweite Puls wird verstirkt) auftreten. Bei einem d t = 7 h yon zwei Pulsen sind deren Gates weit genug voneinander entfernt, so dab ein drifter Puls eine deutliche Verschiebung hervorrufen wiirde. Der Versuch bestitigt die Voraussage (s. Abb. 5). Die Schltipfverteilungen im Bereich der Maxima unterscheiden sich signifikant (getestet mit dem Chi-Quadrat-Test gegen die Maxima der Zweipulssituation At 7 h). Die P-Werte zu den Chi-Quadrat-Werten der Maxima I b i s VI sind P < 0 , 0 0 1 . tiler kann ebenfalls der letzte Lichtpuls nicht allein fiir die Lage der Schliipfmaxima verantwortlich sein. Mit dem gleichen Verfahren wie ffir zwei Lichtpulse ergeben die arithmetischen Mittel der Aus-Maxima vom ersten und zweiten Lichtpuls sowie der An- und Aus-Maxima des dritten Lichtpulses allein Werte, die den Schlfipfmaxima I I und I I I sowie V und VI sehr nahe kommen (0,2 ~
0,5). Die Maxima I nnd V k6nnen durch die An und Aus aller drei Pulse dargestellt werden. Eine zweite M6glichkeit ist die Elimination des An yore ersten Puls bei I (P<0,2). Bei der Bereehnung der theoretisehen Mittelwerte des Zwei- bzw. Drei-Pulsprogrammes iiberwiegen die An und Aus des letzten Pulses und die Aus-Maxima der vorhergehenden Pulse. Ihnen k6nnte vielleieht eine gr6Bere Bedeutung zukommen. u Diskussion
1. Zum Oscillator-Problem Die Versuchsergebnisse zeigen, dab die Wirkung yon Lichtpulsen bei Drosophila pseudoobscura auf dem Zusammenwirken yon An- und Aus-Effekten beruht. Eine ~Jberlagerung yon Populationsgrnppen, die sieh naeh den Signalen ,,An" und ,,Aus" riehten, konnte ausgeschlossen werden (vgl. dazu H~SGST, 1967). Das Zusammenwirken der An- und Aus-Effekte in jedem Individuum kann auf der Basis yon Oseillatoren verstanden werden. Es ist einmal m6glieh, dab die Signale ,,An" oder ,,Aus" auf einen Oscillator entgegengesetzt phasenversehiebend wirken (vgl. AsctIOFS, 1965). Zum anderen k6nnten die Stufenreize ,,An" und ,,Aus" zwei versehiedene Oseillatoren anstoBen oder sehon laufende Oseillatoren in eine feste Beziehung zur Reizstufe bringen. Dag der Populationssehwingung zwei versehiedene Oseillatoren zugrunde liegen, ist wegen der betrgehtliehen Unterschiede der An- und Aus-Rhythmik naheliegend. Eine endgfiltige Entseheidung, ob ein oder zwei Oscillatoren t/~tig sind, ist aufgrund der vorliegenden Versuche abet nieht m6glieh. 18 Z. vergl.Physiol.,Bd. 57
258
H.-W. HOI~EGGER: 2. Z u m Zusammenwirlcen der A n - und Aus-EMelcte nach verschiedenen Liehtpulsprogrammen
Der Grad der Synchronisation der Schliipfverteilungen hi~ngt davon ab, wie dicht die An- und Aus-Maxima beieinanderliegen. Bei einem Licht-Dunkel-Wechsel yon 12:12 Std und anschlieBendem DD liegen die An-Aus-Maxima z. T. weniger als 1 Std voneinander entfernt (Licht-An 12 Std vor Licht-Aus). Die im DD auftretenden Schliipfverteilungen sind daher besser synchronisiert als die nach einem 5minfitigen Lichtpuls (An- und Aus-Maxima im Mittel 12 Std entfernt) (vgl. Tabelle 3). Tabelle 3. Vergleich der Standardabweichungen von 1. LD 12:12 und anschlieflendes DD (Werte nach CHANDI%ASI:IEKARAi'~und ) von 2. Lichtpuls von 5 rain Dauer im DD. Die Schliip]verteilungen im Bereich der Maxima bei 1. sind wesentlich besser synchronisiert
1. Standardabweichung s 2. Standardabweichung s
2. Max.
3. Max.
4. Max.
5. Max.
6. Max.
3,5 5,1
2,4 3,6
3,0 3,4
2,3 3,5
-4,1
Nach ENGELMANN (1966, Fig. 4) l~l~t sich weiter ableiten, d a ] nach einer 24stfindigen Licht- bzw. Dunkelperiode eine Mittelung der An- und Aus-Maxima nicht mehr mSglich ist. Die an die Reizstufe gekoppelten An-Aus-Maxima haben dann einen Abstand yon 13,7 Std (3. Maximum). Es mu• also kritische Zeitabsti~nde geben, bei denen die An- und AusEffekte nicht mehr interagieren. Die Population gliedert sich dann in zwei Teile auf; ein Tell richtet sich nach der An-, der andere nach der Aus-Information. Auff~lligerweise mfissen naeh zwei kurzen Lichtpulsen ffir die ,,passendste" Mittelwertberechnung der Schlfipfmaxima im steady state immer nahe beieinander liegende An-Aus-Maxima herangezogen werden. Diese Maxima begrenzen solche Gates, die sich weitgehend fiberlagern bzw. Korrelationen aufweisen, wie sie in Abb. 4 dargestellt sind. Auch hier gibt es also mSglicherweise kritische Abstiinde, die eine Interaktion zwischen bestimmten An-Aus-Effekten nicht mehr erlauben. Wie gro~ sie sind und zwischen welchen Punkten sie gemessen werden0 kann aus don Versuchen nicht entnommen werden. Die aufgezeigten BerechnungsmSglichkeiten gelten erst ffir die Maxima im steady state. Zuvor wird eine Phase yon Ubergangszyklen (transients) durchlaufen. I{ier treten die Maxima entweder sehr undeutlich auf (vgl. Abb. 2), oder zu Zeitpunkten, die durch verschieden mSgliche An-Aus-Kombinationen erkl&rbar sind. I n diesem Sinne stellt auch das erste" Maximum naeh einem Lichtpuls einen f0bergangszyklus dar. Das Verhalten der Populationen im Bereich der transients l ~ t sich folgendermal~en interpretieren:
Wirkung yon Lichtpulsen auf das Schliipfen von JDro~.ophila
259
1. Die Sehliipfzeiten der schon schliipfbereiten Puppen k6nnen nicht mehr eindeutig dureh die Lichtpulse determiniert werden. Bis zur genauen Determination dauert es um so lgnger, je komplizierter die Liehtprogramme hinsichtlich der An-Aus-Kombinationen sind (vgl. Lgnge der transients naeh einem Lich~puls und nach zwei Lichtpulsen). 2. Zu Oscillatoren geh6ren Einschwingvorggnge; zu diesen Zeiten treten Komplikationen im Zusammenwirken auf. Voraussetzung fiir diese Interpretation ist das Bestehen yon An-Aus-Oscillatoren. Bei unterschiedlieh langen Liehtzeiten /tndert sich die Entfernung der An- und Aus-Lichtsignale und damit die Phasenrelation zwischen den An- und Aus-Maxima. Die An- und Aus-Maxima bestimmen aber das zeitliche Auftreten der Sehliipfmaxima. Da die An- und Aus-Stufen symmetriseh zur Mitte eines Liehtpulses liegen, ist die Mitre ein ausgezeiehneter P u n k t und daher geeignet, die Lage der Schliipfmaxima zu charakterisieren. Auf die Mitre bezogen ergeben sieh bei verschieden langen Lichtpulsen ffir die Maxima fast gleiche Abstandswerte, natiirlieh aber verschiedene Synchronisation. Man sollte also ffir die GrSl~e der Phasenversehiebung einer Schwingung durch lgngere St6rlichter Ms Nullpunkt weder deren Beginn (PITTENDRIGH, zit. nach WEVEIL 1965) noch deren Ende (WEv]~IL 1965), sondern deren Mitre wghlen. Diese Uberlegungen sind auch bei ASCHOFF (1965) diskutiert. Fiir kurze Lichtpulse spielt diese Frage keine Rolle, da Beginn und Ende des Pulses nahe beieinanderliegen.
3. Response-Kurven Aus Abb. 3 lgl~t sich ablesen, wie die Maxima naeh zwei Lichtpulsen mit versehiedenem Abstand voneinander gegeniiber der Kontrolle verschoben werden. Aus dem Verlauf der Phasenverschiebung innerhalb eines 24stfindigen Zyklus resultiert eine Response-Kurve ,,sigmoider F o r m " im steady state. Ob diese Maxima verspgtet (delay) oder verfriiht (advance) auftreten, ist nieht zu entscheiden, da es bei diesen Versuchen keine bevorzugten Lagen ffir die Maxima gibt. Nach eiucm Licht-Dunkel-Weehsel (LD) von 12 : 12 Std und 15mmfitigem St6rlieht im anschliel~enden DD (PITTENDtCIGHnnd MINIS, 1964) ist auch wghrend der transients die Lage der Maxima so eindeutig (C~ANDRAS~E~A~AN, mfindliehe Mitteilung), dab entscheidbar ist, ob die Maxima in steady state eine Vor- (advance) oder Naehverlegung (delay) zeigen. Daraus resultiert die klassische Response-Kurve ftir Drosophila (PITTENDRIGHund MINIS, 1964), die zwischen SCT 18 und 19 (SCT Subjective Circadian Time; SCT 1 8 = S t 5 r l i e h t zum Zeitpunkt SCT 18 im DD geboten) einen Sprung yon delay zu advance aufweist. Man kann also sagen, dal~ nach mehrmMigem 12stiindigen LD schon im Bereich der transients eine bessere Synehronisation der Population erreicht wird Ms naeh Pulsen. 18"
260
H.-W. HONEGGER: A1
~LD 12 : 12
DD
tZl
A24r
Z3~ A3
ZS'w~A5
I Yl,~[I Yh~h u B3
AC'~,Z6 ,B5
16. ~18-
~2o-
22 o [
SGT
2b
,~
6b
8b
160
do
~oh
G 12 18 24-
Abb. 6. Maxima nach •ITTENDRIGlt and MINIs (1964, Fig. 7) (A) in ein Schema der zu den l~eizbedingungen geh6renden An-Aus-Maxima eingetragen. Obere waagrechte Linie: LD 12:12 Std und anschlieBendes DD. Der ~bersichtlichkeit halber sind nur die An (~)- und Aus (+)-Maxima des letzten LD berfieksichtigt und durch die Ziffern A1 . . . . . A6 bzw. Z 1. . . . . Z6 (entsprechend Abb. 3) gekennzeichnet. Sie schlieBen enge Gates (senkrechte Felder) ein. Darfiber die naeh mehrmaligem LD im DD auftretenden Maxima (A). D~ sich die An-Aus-Maxima des sich wiederholenden LD 12:12 Std nicht genau flberlagern, liegen die Sehliipfmaxima auBerhalb der An-Aus-Maxima des letzten eingezeichneten LD. Lage der St6r]ichter als sehrgge Doppellinie, ihre verschiedenen SCT-Abstande am linken ]~and und unterem MaBstab angegeben. Die zu ihnen geh6renden An-Aus-NIaxima liegen auf parallelen, schrggen Geraden. Sie begrenzen schraffierte Gates. An-Maxima B 1. . . . . B 5, Aus-Maxima Y 1. . . . . Y 5
I n A b b . 6 sind in ein S c h e m a y o n A n - A u s - M a x i m a , die zu den P i t t e n d r i g h s c h e n R e i z b e d i n g u n g e n geh6ren, die M a x i m a als Dreiecke eingezeichnet, d e r e n P h a s e n v e r s c h i e b u n g d u r e h das St6rlicht i m D D die R e s p o n s e - K u r v e ergibt (nach P I T ~ N D ~ I G ~ u n d MIZ~IS, Fig. 7 u n d 8). A u s der A b b i l d u n g g e h t z u n s hervor, d a b die M a x i m a y o n A n f a n g a n b e s t i m m t e n A n - A u s - K o m b i n a t i o n e n z u z u o r d n e n sind. D a m i t k 6 n n e n sie grunds~tzlich nach d e n g]eiehen P r i n z i p i e n erkl~rt w e r d e n wie die d u r e h zwei L i c h t p u l s e i n d u z i e r t e n M a x i m a . Die ver~nderliche Gr6Be in diesen zwei L i c h t p r o g r a m m e n ist die untersehiedliche P o s i t i o n d e r An- u n d A n s - M a x i m a zueinander. D a d u r c h w i r d es verst~ndlich, d a b bei d e m gleichen V e r s u c h s o b ] e k t verschieden m6gliche R e s p o n s e - K u r v e n e r h a l t e n w e r d e n k 6 n n e n (vgl. ASCHO]~]~, 1965). A b b . 6 zeigt weiterhin, d a b die M a x i m a bis SCT 18 n a c h d e m St6rl i e h t i n n e r h a l b des S t 6 r l i c h t - G a t e s liegen. F i i r die M a x i m a a b 8CT 19 i s t hingegen zuerst der L D entscheidend. E r s t das vierte M a x i m u m liegt a m R a n d e des S t 6 r l i c h t - G a t e s u n d t r i t t d a m i t verfrfiht auf. D e s h a l b
Wirkung yon Liehtpulsen auf das Schlfipfen von Drosophila
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b e f i n d e t sieh bis SCT 18 das ffinfte M a x i m u m i m Gate Y 4 B4, ab SCT 19 dagegen i m G a t e Y 3 B3. V e r b i n d c t m a n dicse M a x i m a , so g e l a n g t m a n zur t~esponse-Kurve n a c h PITTE:NDI~IGIt. I m Gate Y 4 B 4 ist schon a n n h h e r n d s t e a d y s t a t e erreicht (nach ])ITTE~DI~IGH u n d MI~IS, 1964, a b d e m sechsten M a x i m u m ) . I t i e r lassen sich die M a x i m a wieder m i t b e s t i m m t e n b e r e c h n e t e n M i t t e l w e r t e n aus den An- u n d A u s - M a x i m a des StSrlichtes u n d des L D vergleichen. Die B e r e c h n u n g erfolgt analog d e r nach zwei Lichtpulsen. Das legt auch hier den Schlul~ nahe, dal] b e s t i m m t e kritische Z e i t a b s t ~ n d e die Mittelw e r t s b i l d u n g regeln. Zur E r k l ~ r u n g der R e s p o n s e - K u r v e k a n n also d a s Z u s a m m e n w i r k e n y o n An- u n d A u s - E f f e k t e n herangezogen werden. D a m i t wiirde sic n i c h t das V e r h a l t e n eines Oscillators widerspiegeln (PITTENDI~IGIt, 1966), s o n d c r n k S n n t e aus d e m Z u s a m m e n w i r k e n eines An- u n d eines AusOscillators hervorgehen. Sic sind n i c h t m i t den y o n ~)ITTENDRIGIt u n d BRUCE (1957) geforderten licht- u n d t e m p e r a t u r a b h i i n g i g e n Oscillatoren identisch. Es soll a b e r n o e h m a l s b e t o n t werden, dal3 m i t Hilfe der vorliegenden Versuchsergebnisse n i c h t entschieden w e r d e n kann, ob d e m A n - A u s - S y s t e m bei Drosophila ein Oscillator oder zwei Oscillatoren z u g r u n d e liegcn. Herrn Prof. Dr. E. BffNNINC danke ich fiir sein stetes Interesse am Fortgang der Arbeit und seine weiterfiihrende Kritik, tterrn Dr. W. ENGEL~ANhT ffir seine vielfiiltigen Anregungen und Diskussionen.
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