Die CO2-Assimilation / The Assimilation of Carbon Dioxide: In 2 Teilen / 2 Parts

1939 Pages·1960·357.773 MB·German-English

by  Kurt Buch (auth.), Professor Dr. André Pirson (eds.)

ENCYCLOPED lA
OF PLANT PHYSIOLOGY
EDITED BY
W. RUHLAND
COEDITORS
E.ASHBY ·J.BONNER·M.GEIGER-HUBER ·W.O.JAMES
A.LANG · D.MOLLER ·M. G. STÄLFELT
VOLUMEV
THE ASSIMILATION OF CARBON DIOXIDE
PART 1
CONTRIBUTORS
D. I. ARNON • S. ARONOFF · ]. A. BASSHAM • K. BUCH· M. CALVIN
K. A. CLENDENNING • K. EGLE · ]. FRANCK · C. S. FRENCH • T. W. GOODWIN
F. T. HAXO · E. KESSLER • H. KOEPF • B. KOK • D. W. KUPKE • R. LIVINGSTON
W. E. LOOMIS · L. MEYER • ]. MYERS • C. 6 HEOCHA · A. PIRSON · F. RUTTNER
W. SIMONIS · E. STEEMANN NIELSEN · ]. B. THOMAS · R. VAN DER VEEN · H. T. WITT
SUBEDITOR
A. PIRSON
WITH 331 FIGURES
Volume 1
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1960
HANDBUCH
DER PFLANZENPHYSIOLOGIE
HERAUSGEGEBEN VON
RUHLAND
w~
IN GEMEINSCHAFT MIT
E. ASHBY ·].BON NER · M. GEIGER-HUBER· W.O.JAMES
A. LANG· D. MOLLER · M. G. STÄ.LFELT
BAND V
DIE C02-ASSIMILATION
TEIL 1
BEARBEITET VON
D.I. ARNON · S. ARONOFF ·JA. BASSHAM · K. BUCH· M. CALVIN
K. A. CLENDENNING · K. EGLE · J FRANCK · C. S. FRENCH • T. W. GOODWIN
F. T. HAXO · E. KESSLER · H. KOEPF · B. KOK • D. W. KUPKE · R. LIVINGSTON
W. E. LOOMIS · L. MEYER · J MYERS · C. 0 HEOCHA • A. PIRSON · F. RUTTNER
W. SIMONIS · E. STEEMANN NIELSEN • J B. THOMAS · R. VAN DER VEEN · H. T.WITT
REDIGIERT VON
A. PIRSON
MIT 331 ABBILDUNGEN
Band 1
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1960
ENCYCLOPED lA
OF PLANT PHYSIOLOGY
EDITED BY
W. RUHLAND
COEDITORS
E.ASHBY ·J.BONNER·M.GEIGER-HUBER ·W.O.JAMES
A.LANG · D.MOLLER ·M. G. STÄLFELT
VOLUMEV
THE ASSIMILATION OF CARBON DIOXIDE
PART 2
CONTRIBUTORS
D. I. ARNON • S. ARONOFF · ]. A. BASSHAM • K. BUCH· M. CALVIN
K. A. CLENDENNING • K. EGLE · ]. FRANCK · C. S. FRENCH • T. W. GOODWIN
F. T. HAXO · E. KESSLER • H. KOEPF • B. KOK • D. W. KUPKE • R. LIVINGSTON
W. E. LOOMIS · L. MEYER • ]. MYERS • C. 6 HEOCHA · A. PIRSON · F. RUTTNER
W. SIMONIS · E. STEEMANN NIELSEN · ]. B. THOMAS · R. VAN DER VEEN · H. T. WITT
SUBEDITOR
A. PIRSON
WITH 331 FIGURES
Volume 2
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1960
HANDBUCH
DER PFLANZENPHYSIOLOGIE
HERAUSGEGEBEN VON
RUHLAND
w~
IN GEMEINSCHAFT MIT
E. ASHBY ·].BON NER · M. GEIGER-HUBER· W.O.JAMES
A. LANG· D. MOLLER · M. G. STÄ.LFELT
BAND V
DIE C02-ASSIMILATION
TEIL 2
BEARBEITET VON
D.I. ARNON · S. ARONOFF ·JA. BASSHAM · K. BUCH· M. CALVIN
K. A. CLENDENNING · K. EGLE · J FRANCK · C. S. FRENCH • T. W. GOODWIN
F. T. HAXO · E. KESSLER · H. KOEPF · B. KOK • D. W. KUPKE · R. LIVINGSTON
W. E. LOOMIS · L. MEYER · J MYERS · C. 0 HEOCHA • A. PIRSON · F. RUTTNER
W. SIMONIS · E. STEEMANN NIELSEN • J B. THOMAS · R. VAN DER VEEN · H. T.WITT
REDIGIERT VON
A. PIRSON
MIT 331 ABBILDUNGEN
Band2
SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH
1960
Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten
Ohne ausdrückliche Genehmigung des Verlages Ist es auch nicht gestattet, dieses
Buch oder Teile daraus auf photomechanischem Wege (Photokople, Mikrokopie)
zu vervielfältigen
© by Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1960
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag OHG. Berlin · Göttingen · Heldeiberg 1960
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1960
ISBN 978-3-642-94799-5 ISBN 978-3-642-94798-8 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-94798-8
Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw.ln
diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme,
daß solche Namen im Sinn der Warenzeichen· und Markenschutz-Gesetzgebung
als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften
Inhaltsverzeichnis von Teil1.
Contents of part 1.
I. Einführung.
Seite
Von Professor Dr. A. PmsoN ... XXV
II. Das Kohlendioxyd und die Kohlensäure.
A. Dissoziation der Kohlensäure, Gleichgewichte und Puffersysteme. Von Professor Dr.
KuRT BucH. Mit 3 Abbildungen . . . . . . . . . . 1
I. Bau und Eigenschaften des Kohlendioxydmoleküls . . . . . . . . . . . . 1
II. Die Kohlensäure und ihre Ionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
III. Gleichgewichte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
IV. Das System C0 + H 0 +Base und die Berechnung seiner einzelnen Konsti-
2 2
tuenten aus analytischen Daten . . . . . . . . 6
V. Geschwindigkeit der Gleichgewichtseinstellungen 8
VI. Pufferung . 9
Literatur . . 11
B. Vorkommen von Kohlendioxyd und Kohlensäure in der Natur.
a) Das Kohlendioxyd in der atmosphärischen Luft. Von Professor Dr. KuRT BucH.
Mit 2 Abbildungen . . . . . . . . . . 12
I. C02-Bestand und Jahresumsatz . . 12
II. Chemisch-analytische Ergebnisse . . 13
III. Der C0 -Austausch mit dem Meere. 16
2
IV. Kohlenstcffisotcpe, radioaktives C0 19
2
V. Kohlendioxyd und Klima 22
VI. Ausblick . 22
Literatur . . . . . . . . . . 23
b) Das Kohlendioxyd und die Kohlensäure im Boden. Von Professor Dr. L. MEYER
und Dozent Dr. H. KoEPF. Mit 9 Abbildungen . . . . . . . . . . . . 24
I. Zur Geochemie des Kohlendioxyds . . . . . . . . . . . . . . . . 24
II. Das Vorkommen des Kohlendioxyds und der Kohlensäure im Boden 25
1. Kohlensäure in der festen Phase des Bodens . . . . . . 25
a) Die C0 in den Carbonaten . . . . . . . . . . . . 25
2
b) Die Sorption von C0 durch die feste Bodensubstanz. 26
2
2. Kohlendioxyd und Kohlensäure im Bodenwasser . . . 27
3. Das Kohlendioxyd in der Bodenluft . . . . . . . . . 28
III. Die Kohlensäurebildung im Boden und die Bodenatmung 31
IV. Der Kohlensäurehaushalt der Böden 39
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
c) Kohlendioxyd im Meerwasser. Von Professor Dr. KuRT BucH. Mit 4 Abbildungen 47
I. Die Gesamtkohlensäuremenge im Weltmeere . . . . . . . . . . . . . 47
II. Das Kohlensäuregleichgewichtssystem im Meerwasser . . . . . . . . . 47
K~ und K; bei hohen Drucken S. 49. - Die Ermittlung der Kohleu
säurekomponenten S. 49. - Das Gleichgewicht Kohlensäure/Calcium
carbonat S. 52.
VI Inhaltsverzeichnis von Teil I. - Contents of part I.
Seite
111. Gestaltung der Kohlensäureverhältnisse im Meere . . . . . . . . . . 53
Verteilung der Kohlensäurekomponenten, Variationsbreiten und Puffer
mechanismus S. 54. - Oberflächenschicht, C0 -Austausch mit der Atmo
2
sphäre S. 55.
IV. Kohlensäure und biologische Aktivität . . . . . . 57
V. Die Kohlensäureverhältnisse in der Tiefe . . . . . 58
VI. Auflösung und Abscheidung von Calciumcarbonat . 58
VII. Das Meer als Regulator des C0 -Gehaltes der Atmosphäre . 60
2
Literatur .................. . 60
d) Von Kohlendioxyd und Kohlensäure im Süßwasser. Von Professor Dr. F. RuTT·
NER. Mit 2 Abbildungen . . . . . . . . 62
I. Kohlendioxydgehalt des Regenwassers . . . . . . . . . . . . . . . 62
II. Kohlendioxydgehalt des Grundwassers . . . . . . . . . . . . . . . 62
Ill. Die kohlensauren Salze und ihre Lösungsbedingungen . . . . . . . . . 63
IV. Die biochemische Schichtung des Kohlendioxyds und der Carbonate in
stehenden Gewässern 66
Literatur . . . . . . . . . . . . 68
c. Uptake of co2 by the plant. By Professor Dr. E. STEEMANN NIELSEN. With 11 figures 70
I. C0 or bicarbonate ion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2
II. The importance of PH and of the composition of ions in the surrounding medium
to water plants . . . . . . . . . . . . . . . . 76
III. The C0 supply in terrestrial and aquatic plants . 78
2
IV. The carbon dioxide compensation point 81
V. Carbonic anhydrase in plants . 82
Literature. 83
III. Die Photosynthese der grünen Pflanzen.
A. Historical introduction. By Professor Dr. W. E. LooMIS. With 1 figure 85
I. Early history of the study of photosynthesis . 86
II. The discovery of photosynthesis. . 88
a) PRIESTLEY's experiments. . . . . 89
b) JAN INGEN-HOUSZ . . . . . . . 90
c) JEAN SENEBIER. . . . . . . . . 92
d) NICOLAS THEODORE DE SAUSSURE 93
e) JULius RoBERT MAYER . . . . . 95
III. Photosynthesis in the nineteenth and early twentieth centuries 96
a) LIEBIG's role . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
b) Chlorophyll and the chloroplast . . . . . . . . . . . . . 97
c) The absorption of light in photosynthesis . . . . . . . . . 100
d) Stomates and the absorption of carbon dioxide . . . . . . . . . . . . 101
e) The effects of external conditions and chlorophyll content in photosynthesis 104
f) Photosynthetic mechanisms 106
Literature. . . . . . . . . . . . 112
B. Methoden der Photosynthesemessung.
a) Landpßanzen. Von Professor Dr. K. EGLE. Mit 13 Abbildungen 115
I. Allgemeines zur Methodik der Photosynthesemessung. . . 115
II. Übersicht über die verwendbaren Maßmethoden . . . . . 116
III. Methoden zur Messung der festen Photosyntheseprodukte. 117
I. Die Bestimmung der Trockensubstanzzunahme 119
2. Bestimmung der Verbrennungswärme . . . . . . . 121
IV. Methoden zur Messung des Gaswechsels. . . . . . . . 121
I. Die verschiedenen Prinzipien der Gaswechselmessung 123
2. Der Einfluß der Luftbewegung auf den Gaswechsel 124
3. Der "schädliche Raum" der Versuchskammern . . 129
4. Das "Küvettenklima" . . . . . . . . . . . . . 132
Inhaltsverzeichnis von Teil I. - Contents of part I. VII
Seite
V. Die .Analytik der Gaswechselkomponenten. 139
1. Analysenmethoden für Kohlendioxyd. 140
a) Eudiometrische Verfahren ..... 140
b) Gasdifferenzverfahren . . . . . . . 143
2. Die Bestimmung des Sauerstoffes . . . . . . . . . . 152
3. Gleichzeitige Bestimmung von Kohlendioxyd und Sauerstoff . 157
Literatur ................. . 158
b) Wasserpflanzen. Von Professor Dr. W. Smoms. Mit 22 Abbildungen 164
Übersicht . . . . . . . . . . . 164
I. Methoden der 0 -Bestimmung . . . . . . . . 164
2
I. Biologische Methoden. . . . . . . . . . . 164
a) 0 -Nachweis durch bewegliche Bakterien. 164
2
b) 0 -Nachweis durch Leuchtbakterien . . . 164
2
c) Blasenzählmethode. . . . . . . . . . . 165
2. Chemische Methoden . . . . . . . . . . . 166
Methode der 0 -Bestimmung nach WINKLER 166
2
3. Photochemische Methoden. . . . . . . . . . 166
a) 0 -Messung durch Phosphorescenzlöschung . 166
2
b) Hämoglobin-Oxyhämoglobinmethode. . . . 168
4. Elektrochemische Methoden . . . . . . . . . 169
Polarographische Methode der Sauerstoffbestimmung 169
5. Physikalische Methoden . . . . . . . . . . . . . . 171
a) Ausnutzung des Paramagnetismus des Sauerstoffs 171
b) Verwendung von Sauerstoffisotopen . 171
II. Methoden der C0 -Bestimmung . . . . . . . . 171
2
I. Elektrochemische Methoden . . . . . . . . . 171
Acidimetrische Methoden der C02-Bestimmung 171
2. Physikalische Methoden . . . . . . . . . . . 173
a) Hitzdrahtmethode . . . . . . . . . . . . 173
b) Ultrarotabsorption. . . . . . . . . . . . . 174
c) Bestimmung der C0 -Assimilation unter Verwendung von Isotopen. 174
2
III. Gleichzeitige C02- und 02-Bestimmung . . . . . . . . . . . . 175
a) Polarographie und PR-Messung . . . . . . . . . . . . . 175
b) Paramagnetismus des 02 und Ultrarotabsorption des C02 • 177
c) Messung des Gasaustausches mit dem Massenspektrometer 177
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
c) Apparente und reelle Photosynthese, Gaswechselgleiehgewicht, Lichtatmung. Von
Professor Dr. K. EGLE. Mit 10 Abbildungen. . . . 182
I. Apparente und reelle Photosynthese . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
2. Die Methoden zur Ermittlung der Liehtatmungo . . . . . . . . . . . . . 184
a) Abgrenzung des Begriffes "Lichtatmung" . . . . . . . . . . . . . . 184
b) Die Ermittlung der "Lichtatmung" aus der nachfolgenden Dunkelatmung 186
c) Die Messung der Lichtatmung unter besonderen anatomischen, physio-
logischen und genetischen Bedingungen 196
3. Gaswechselgleichgewichte 200
Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
d) Culture ol unicellular algae. Manometrie techniques for measuring photosynthesis.
By Professor JACK MYERS. With 6 figures 211
1. Comparative physiology of the algae . 211
2. Choice of alga . . . 213
3. Methods of culture . 214
a) Media . . . . . 214
b) Culture vessels . 216
c) Illumination. . . . 218
d) Provision of carbon . . . . 218
e) The problern of uniformity . 218
VTII Inhaltsverzeichnis von Teill. - Contents of pa.rt 1.
Seite
4. Manometrie measurement of ga.s excha.nge . . . 220
a) Apparatus ................ . 220
cx) The Warburg constant-volume manometer. 220
ß) The Bareroft differential manometer 221
y) Volumeters . . . . . 221
15) Rea.ction flasks . . . 222
b) Systems of manometry . 222
cx) The direct method . 223
ß) The indirect method . 226
y) Other special methods. 229
c) Attendant methodological problems 230
cx) Handling of algae. . 230
ß) Illumination . . . . 230
y) Kinetic limitations . 231
15) Concluding remarks . 232
Literature ......... . 232
C. Der physiologische Apparat der Photosynthese (FarbstoHe, Plastidenaufbau).
a) Plastidenpigmente.
1. Chlorophyll.
«) The chemistry of chlorophyll. By Professor S. ARoNOFF. 234
I. Introduction . . . . . . 234
TI. Chlorophylls a and b . . . . . . . . . . 235
l. The porphyrin nucleus . . . . . . . . 235
2. The isocyclic ring (phylloerythrin, etc.) . 237
3. The position of the phytyl group . . . 239
4. The vinyl group . . . . . . . . . . . . . 240
5. On the position of the two labile hydrogens 241
6. Carbon 6d as a focal point of oxidation . . 242
7. Exchange reactions of chlorophyll . . . . . 244
8. Resonance vs. tautomeriBm . . . . . . . . 244
9. Concerning tautomeriBm in the Chlorophylls. 245
III. Bacteriochlorophyll (bactochlorophyll) . . . . 246
IV. Chlorophyll c (chlorophyll y, or chlorofucine) 249
V. Chlorophyll d . . . . . . . . . . . . . 249
VI. Chlorobium chlorophyll (bacterio-viridine) 250
Literature ................... . 250
ß) The Chlorophylls in vivo and in vit-ro. By Professor Dr. C. S. FRENCH.
With 30 figures . . . . . . 252
A. Absorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
I. General introduction . . . . . . . . . . . 252
Il. Absorption spectra of isolated chlorophylls . 253
l. Chlorophylls and their pheophytins . . . 253
2. Chlorophyll derivatives . . . . . . . . . 258
a) Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
b) Photochemical reduction products of chlorophyll . 259
c) Other derivatives of chlorophyll . . . . . . . . 262
3. Use of chlorophyll spectra for analysis of plant extracts 263
a) Comments on analysis of two component mixtures. . 263
b) Spectral data for two component mixtures . . . . . . 263
Chlorophylls a and b p. 263. - Chlorophylls a and c
p. 264. - Chlorophylls a and d p. 264. - Chlorophyll a
and protochlorophyll p. 264.
III. The absorption spectra of leaves and cell Suspensions . 264
l. Introduction . • . . . . . . . . . • • • . . . . 264
2. Methods of measuring absorption spectra in vivo . . 265
3. The absorption spectra of chlorophylls in live plants 267
a) Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Inhaltsverzeichnis von Teil!. - Contents of part 1. IX
Seite
b) Chlorophyll a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
c) Other chlorophylls . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
4. Variations in vivo of the chlorophyll a pea.k wavelength .. 272
5. Reversible changes caused by light in the absorption spectra
of photosynthetic cells . . . . . . . . . . . . . . 275
6. Light scattering by photosynthetic pigments in cells 277
B. Fluorescence . . . . . . . . . . • . . . 281
I. Introduction . . . . . . . . . . . . 281
li. Fluorescence of isolated chlorophylls . 282
1. Activation and quenching . . . . 282
2. Spectra ............ . 284
111. Time course of fluorescence in plants 284
IV. Fluorescence spectra of live plants. . 286
1. Green plants . . . . . . . . . . . . . . . 286
2. Plants containing phycobilins and chlorophyll 289
V. The transfer of energy to chlorophyll from other pigments as
studied by fluorescence spectrophotometry . . . . 290
1. General discussion of energy transfer . . . . . 290
2. The transfer of absorbed energy within chlorophyll units 291
Acknowledgment 293
Literature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
y) Relationship of chlorophyll to protein and Iipoids; molecular and colloidal
solntions. Chlorophyll nnits. By Dr. D. W. KUPKE and Professor Dr. C. S.
FRENCH • • • • • • • • • 298
I. Introduction . . . . . . . . . , • . • • • . . . . . . . . 298
II. The site of chlorophyll . . . . • . . . . . . . . . . . . . 299
111. Composition of chloroplasts in relation to the chlorophyll-protein
problern . . . . . . . . . . . . . . . . 301
IV. Physiologically inactive chlorophyll-protein complexes. 302
1. Aqueous extracts from higher plants . 302
2. Aqueous extracts from lower plants . . . . . . 304
3. Extraeta with detergents . . . . . . . . . . . 306
4. Chlorophyll-protein crystals . . . . . . . . . . 309
V. Physiologically active chlorophyll-protein complexes 310
1. Dispersions of chloroplasts. . . . . . . . . . . 310
2. Artificial chlorophyll-protein complexes . . . . . 311
3. Protochlorophyll-protein complex. . . . . • • . 314
VI. The possible relation of protochlorophyll protein to chlorophyll in vivo 318
Literature .•••.•.......................... 319
8) Biogenese des Chlorophylls, Vorstufen, Beziehung zum Hämin, Proto·
chlorophyll. Von Professor Dr. K. EGLE. Mit 14 Abbildungen ..... 323
1. Begriffsbestimmung und historische Übersicht . • • • • . • . • • . 323
2. Protochlorophyll als biologische Chlorophyllvorstufe . . . . . . . . 324
a) Die photochemische Reduktion des Protochlorophylls zu Chlorophyll 328
b) Die enzymatische Reduktion des Protochlorophylls zu Chlorophyll
im Dunkeln . . . . . 337
3. Biogenese der Porphyrine 339
a) Blutfarbstoff Häm . 339
b) Chlorophyllfarbstoffe 343
c) Phycobiline 348
Littnatur 348
E) Biologischer Chlorophyllabban. Von Professor Dr. K. EGLE 354
1. Definition des Begriffes "biologischer Chlorophyllabbau" . . . 355
2. Die Zusammenhänge zwischen Chlorophyllabbau und anderen .Abbau
erscheinungen an Zellinhaltsstoffen . • . . . . . • • . . • . . • • 358