In a previous investigation we were able to demonstrate the presence of permanent electric polarization in human and animal tendon tissue and the existence of a permanent electric moment in tendon fibres and their collagen fibrils, as well as a pyroelectric axis in their longitudinal direction (
Athenstaedt, 1967). An experimental programme has now been completed whose object it was to elucidate electric polarization in the axial and appendicular skeleton of the Vertebrata (including man). Our results will be reported in several parts of which this is the first. In addition to bony, cartilaginous and chordal tissue, our investigations also extended to other forms of supporting tissue such as intervertebral disks, periosteum and dura mater.
In the chorda dorsalis of the Cyclostomata (
Myxine, Petromyzon) and of
Acipenser there is a permanent electric polarization in the direction of its physiologic longitudinal axis and a radial polarization in the direction of the thickness of its sheath. Both in the complete chorda dorsalis and in any random part of it (cut at right angles to its longitudinal axis) a negative electric charge is found on the cranial side and a positive charge on the caudal side. The outside of the chordal sheath has a negative charge, the inside a positive charge. These findings are correlated with the known induction effects of the chorda in embryonic development and with the structural peculiarities characterizing the chorda of vertebrates in the
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and in the adult stage.
Both the cartilaginous axial skeleton of the Elasmobranchii and the bony axial skeleton of all examined specimens, from the Teleostei to the Aves, invariably showed the same pattern of permanent electric polarization: the two halves of each vertebral body, which correspond to the former sclerotome halves, are polarized in opposite directions. Thus the direction of polarization alternates constantly throughout the vertebral column along its longitudinal axis, this alternation being repeated in each fully developed vertebral body or each distinct beginning of vertebral structure.
In cases of primary or secondary coalescence of vertebral bodies — e.g. in the synsacrum of adult Aves, in the urostyle of the Anura and in the cranially fused first part of the axial skeleton of Raiidae and Acipenser — the fused bony or cartilaginous rod has not an alternating but a continuous direction of polarization corresponding to that in the chorda dorsalis of the Cyclostomata and of Acipenser.
In einer vorausgegangenen Untersuchung konnte nachgewiesen werden, daß menschliches und tierisches Sehnengewebe eine permanente makroskopische elektrische Polarisation besitzt, und daß die Sehnenfasern bzw. ihre Kollagenfibrillen ein permanentes elektrisches Moment und eine pyroelektrische Achse in ihrer Längsrichtung aufweisen (
Athenstaedt, 1967). Die vorliegende Arbeit bildet den ersten Teilabschnitt einer inzwischen abgeschlossenen Untersuchungsreihe über die elektrischen Polarisationsverhältnisse im Achsen- und Extremitätenskelett der Vertebrata (einschließlich des Menschen). In die Untersuchungen wurden außer Knochen-, Knorpel- und Chordagewebe auch andere geformte Stützgewebe, u.a. Zwischenwirbelscheiben, Periost und Dura mater einbezogen.
Die Chorda dorsalis der Cyclostomata (Myxine, Petromyzon), und von Acipenser weist eine permanente elektrische Polarisation in ihrer physiologischen Längsrichtung, sowie radial in Richtung ihrer Wandungsdicke auf. Dabei zeigt die Chorda dorsalis als Ganzes und in jedem beliebigen Teilabschnitt (quer zu ihrer Längsrichtung) auf der cranialen Seite eine negative, auf der jeweils caudalen Seite eine positive elektrische Ladung. Die Außenseite der Chordascheide besitzt eine negative, die Innenseite eine positive Ladung. Mit diesen Befunden werden die bekannten Induktionswirkungen der Chorda in der Embryonalentwicklung und die Struktureigentümlichkeiten der Chorda der Vertebrata im Geldrollenstadium und im adulten Stadium in Beziehung gebracht. Sowohl das knorpelige Achsenskelett der Elasmobranchii als auch das knöcherne Achsenskelett von den Teleostei bis zu den Aves einschließlich zeigt ein stets gleichbleibendes Schema seiner permanenten elektrischen Polarisation: Die beiden Hälften jedes einzelnen Wirbelkörpers, welche den ehemaligen Sklerotomhälften entsprechen, haben eine entgegengesetzte Polarisationsrichtung zueinander. Die Wirbelsäule als Ganzes zeigt daher in Richtung ihrer Längsachse ein fortgesetztes Alternieren der Polarisationsrichtung, das sich in jedem fertigen Wirbelkörper bzw. in jeder ausgeprägten Wirbelanlage wiederholt.
Bei primären oder sekundären Verschmelzungen von Wirbelkörpern — u.a. im Synsacrum adulter Aves, im Urostyl der Anura und in den verschmolzenen cranialen Anfangsstücken des Achsenskeletts der Rajidae und von Acipenser — zeigt der verschmolzene Knochen- oder Knorpelstab keine alternierende, sondern eine kontinuierliche Polarisationsrichtung, deren Richtungssinn demjenigen der Chorda dorsalis der Cyclostomata und von Acipenser entspricht.
For Prof. Dr. W. Bargmann.
With support from the Deutsche Forschungsgemeinschaft which is gratefully acknowledged.