Wie Forscher das Uhrwerk der Zellen enträtseln

Das Ticken in unseren Genen

Die genetischen Grundlagen der biologischen Uhr lassen sich am Modellsystem Maus gut erforschen. Bild vergrößern
Die genetischen Grundlagen der biologischen Uhr lassen sich am Modellsystem Maus gut erforschen.

Wer schon einmal eine Reise über mehrere Zeitzonen unternommen hat, stellt fest, dass er offensichtlich eine innere Uhr besitzt, die den Schlaf-Wach-Rhythmus steuert: Angekommen am Reiseziel fühlt man sich in den ersten Tagen müde und schlapp, und es dauert einige Zeit bis man sich an den neuen Tag-Nacht-Zyklus angepasst hat. Und auch wer selbst nicht weit verreist, dafür aber jedes Wochenende bis tief in die Nacht feiert und dann morgens lange schläft, wird spätestens zu Wochenbeginn an die zeitliche Realität erinnert: Denn unsere innere Uhr geht bereits nach zwei Tagen nach – der Grund, warum das Aufstehen am Montagmorgen besonders schwer fällt.

Leben wird durch zeitliche Rhythmen bestimmt – dazu gehören der Tag-Nacht-Zyklus (24 Stunden) ebenso wie der Gezeitenzyklus (12,5 Stunden), der Jahreszyklus (365,25 Tage) oder der Mondzyklus (28,5 Tage). Organismen, die regelmäßige Veränderungen ihrer Umwelt voraussagen können, haben einen Überlebensvorteil. Pflanzen, deren wichtigste Stoffwechselleistung die Photosynthese ist, antizipieren z.B. den Sonnenaufgang: Sie aktivieren ihren Photosyntheseapparat noch bevor es hell wird. Beim Menschen steigt die Körpertemperatur bereits vor dem Aufwachen an, und auch Stoffwechsel, Muskeltonus, Nierenfunktion und Konzentrationsfähigkeit schwanken tagesrhythmisch. Wie werden diese Rhythmen hervorgebracht? Wo sind die Zentren, die sie steuern? Und wie werden sie getaktet?

Bis in das 20. Jahrhundert hinein war die Mehrheit der Naturwissenschaftler davon überzeugt, dass Lebewesen sich nur deshalb rhythmisch verhalten, weil sie auf Signale ihrer Umwelt reagieren – an eine „innere Uhr“ mochten nur wenige glauben. Um diese nachzuweisen, ließ der Max-Planck-Forscher Jürgen Aschoff Mitte der 1960er Jahre unterhalb des Institutsgebäudes in Andechs einen „Bunker“ einrichten – ein unterirdisches Labor, in dem Versuchspersonen über mehrere Wochen hinweg völlig abgekoppelt vom natürlichen Tageslauf wohnten. Hier gab es keine Uhr, keine Zeitung, kein Radio oder Fernsehen geschweige denn Tageslicht – keinerlei Zeitinformationen also über die Außenwelt. Die Wissenschaftler registrierten das Verhalten sowie bestimmte physiologische Parameter ihrer Versuchspersonen und ließen diese regelmäßig Konzentrations-, Stimmungs- und Leistungstests machen. Wie sich zeigte, hatten die Untersuchungsteilnehmer trotz Ausschlusses aller Zeitgeber weiterhin eine tagesrhythmische Aktivität: Sie schliefen regelmäßig sieben bis acht Stunden, ihre Körpertemperatur schwankte tagesperiodisch um etwa ein halbes Grad und auch die kognitiven Leistungen folgten einer endogenen, d.h. von innen erzeugten Tagesperiodik.

Im Bunker von Andechs lebten die freiwillig Eingeschlossenen vollkommen abgeschirmt von der Außenwelt. Trotzdem konnten die Wissenschaftler deren Aktivitäten registrieren. Bild vergrößern
Im Bunker von Andechs lebten die freiwillig Eingeschlossenen vollkommen abgeschirmt von der Außenwelt. Trotzdem konnten die Wissenschaftler deren Aktivitäten registrieren.

Allerdings offenbarten die Messdaten noch ein Weiteres: Über mehrere Tage und Wochen hinweg verschob sich der Tagesrhythmus. Die tagesperiodischen Schwankungen erfolgten dann nicht mehr im genauen 24-Stunden-Wechsel, sondern etwas langsamer. Zum Beispiel konnten sie bei einer bestimmten Person in 24,7-Stunden-Wechsel ablaufen. Jeden Tag begann diese Person ihren Schlaf im unterirdischen Bunker 42 Minuten später und stand entsprechend später auf. Offensichtlich wird unsere innere Uhr erst von den Umweltbedingungen auf genau 24 Stunden getaktet. In der abgeschirmten Unterwelt zeigt sie ihre wahre Beschaffenheit: Sie ist eine eigenständige Uhr, deren Laufzeit zwar nahe bei 24 Stunden liegt, aber eben nicht genau einem Tag entspricht. Man bezeichnet sie deshalb auch als circadiane Uhr (lat. circa dies = etwa einen Tag).

Interessant war auch der folgende Befund: Körpertemperatur- und Schlaf-Wach-Rhythmus sind normalerweise im gleichen Takt. Die Körpertemperatur pendelt ebenfalls im Bereich von 25 Stunden mit einem Tiefpunkt während des Schlafes und einem Höhepunkt während der Wachzeit. Wenn sich aber der Schlaf-Wach-Zyklus bei andauernder Isolation verschiebt, folgt die Körpertemperatur nicht. Egal, ob sich der Schlafrhythmus verkürzt, verlängert oder unregelmäßig wird – die Körpertemperatur schwingt weiter im 25-Stunden-Rhythmus. Die Wissenschaftler folgerten daraus, dass es mehr als eine innere Uhr geben muss!

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