Chronobiologie

Grundlagen und Bedeutung

Chronobiologie ist ein Wissenschaftszweig der Biologie. Sie untersucht die zeitliche Organisation physiologischer Prozesse und wiederholter Verhaltensmuster bei Organismen. Die dabei erkennbaren Regelmäßigkeiten heißen biologische Rhythmen. Sie sind nicht mit esoterischen Biorhythmuslehren zu verwechseln.

Biologische Rhythmen entstehen häufig durch ein endogen schwingendes Teilsystem, die sogenannte innere Uhr. Sie erzeugt Impulse in bestimmten zeitlichen Abständen. Exogene, also äußere Einflüsse werden als Zeitgeber bezeichnet und können die Dauer und Lage eines Rhythmus beeinflussen. Wichtige Zeitgeber sind Licht und Temperatur. Dadurch kann die innere Uhr innerhalb bestimmter Grenzen an Veränderungen der Umwelt, zum Beispiel an den Tag-Nacht-Zyklus, angepasst werden. Fehlen Zeitgeber, etwa unter konstanten Laborbedingungen, laufen viele natürliche Rhythmen dennoch weiter. Ihre Periodendauer τ entspricht dann ungefähr derjenigen unter natürlichen Bedingungen.

Zeitliche Organisation verbessert die Anpassung an wechselnde Umweltbedingungen und damit die Überlebenschancen. Rhythmische Abläufe gibt es bei allen bisher untersuchten Lebewesen. Beispiele sind Zellteilung, Herzschlag, Atmung, Schlaf, Winterruhe, Brunft und Menstruationszyklus. Zeitliche Abstimmung ist auch wichtig, weil viele Vorgänge voneinander abhängen: Manche müssen nacheinander stattfinden, andere gleichzeitig; manche stören, hemmen oder schließen sich gegenseitig aus.

Rhythmen können außerdem soziale Abläufe innerhalb einer Art koordinieren oder Begegnungen mit anderen Arten wahrscheinlicher beziehungsweise unwahrscheinlicher machen. Für den Menschen ist Chronobiologie besonders bedeutsam, weil die moderne Lebensweise häufig der biologischen Uhr widerspricht. In der Medizin beeinflusst der Zeitpunkt der Medikamenteneinnahme die Wirksamkeit. Bei Chemotherapien können beispielsweise deutlich geringere Konzentrationen von Zytostatika ausreichen, wenn geeignete zeitliche Verabreichungsfenster berücksichtigt werden.

Für die Entdeckung molekularer Mechanismen der circadianen Rhythmik von Zellen erhielten Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young 2017 den Nobelpreis für Physiologie oder Medizin.

Einteilung nach der Periodendauer

Biologische Rhythmen können Perioden von Millisekunden bis zu Jahren besitzen. Üblicherweise werden sie nach ihrer Periodendauer beziehungsweise Frequenz eingeteilt. Die Frequenz ist der Kehrwert der Schwingungsdauer.

• Circadiane Rhythmen haben eine Periodendauer von ungefähr 24 Stunden. Der Begriff leitet sich von lateinisch circa („ungefähr“) und dies („Tag“) ab. Beispiele sind der Schlaf-Wach-Rhythmus des Menschen und die Blattbewegungen vieler Pflanzen. Circadiane Rhythmen sind bisher am besten erforscht.

• Infradiane Rhythmen dauern deutlich länger als 24 Stunden und haben eine Frequenz unter der eines Tages. Circannuale Rhythmen folgen ungefähr dem Jahreszyklus von 365 Tagen, etwa beim Winterschlaf und Vogelzug. Circalunare Rhythmen orientieren sich am Mondphasenzyklus von ungefähr 29,5 Tagen, zum Beispiel die Palolozeiten. Semilunare Rhythmen dauern ungefähr 15 Tage und stehen mit dem Gezeitenzyklus in Verbindung, etwa beim nächtlichen Ablaichen der Grunions am Strand.

• Ultradiane Rhythmen dauern kürzer als 24 Stunden und haben eine Frequenz über der eines Tages. Bei deutlich kürzeren Perioden können sie mehr als einmal täglich auftreten. Beispiele sind der Wechsel von Aktivitäts- und Ruhephasen bei Feldmäusen, die wiederholte Abfolge der Schlafstadien beim erwachsenen Menschen und die pulsatile, also stoßweise, Ausschüttung von Hormonen der Hirnanhangdrüse.

Eine Sonderform sind circatidale Rhythmen mit einer Periode von ungefähr 12,5 Stunden. Sie folgen dem Wechsel von Ebbe und Flut und prägen das Verhalten vieler Bewohner der Brandungszone. Winkerkrabben suchen beispielsweise nur bei Ebbe Nahrung; im Wasser lebende Krebse schwimmen dagegen nur bei Flut umher.

Rhythmen bei Einzellern, Pflanzen und Tieren

Seit den 1940er-Jahren ist bekannt, dass auch Einzeller eine innere Uhr besitzen. Für eine biologische Uhr sind daher keine Netzwerke aus vielen Zellen erforderlich. Euglena und Chlamydomonas zeigen circadiane Rhythmen der Phototaxis, also der Bewegung als Reaktion auf Licht. Auch beim Paramecium wurden circadiane Prozesse nachgewiesen.

Marine Dinoflagellaten wie Lingulodinium polyedrum (= Gonyaulax polyedra) steigen ungefähr eine Stunde vor Sonnenaufgang an die Wasseroberfläche, bilden dort dichte Schwärme und betreiben Photosynthese. Unter günstigen Bedingungen können sie eine Algenblüte verursachen. Noch vor Sonnenuntergang sinken sie wieder ab. Nachts erzeugen sie in der Tiefe mithilfe ihres Luciferasesystems biochemisches Licht, vermutlich zur Abwehr von Copepoden. Dieses Verhaltensprogramm läuft auch im Labor unter konstanten Bedingungen rhythmisch weiter. Inzwischen wurde außerdem gezeigt, dass Prokaryoten, also Bakterien und Cyanobakterien, circadiane Rhythmen besitzen.

Bei Pflanzen wurde bisher keine zentrale Steuerung der inneren Uhren oder ein zentraler Schrittmacher gefunden. Nach gegenwärtiger Auffassung steuern mehrere, über die ganze Pflanze verteilte Uhren physiologische Vorgänge, besonders die Photosynthese und damit verbundene Bewegungen. Andere tägliche Vorgänge können jedoch direkt durch Licht beeinflusst werden. Für den Lichtsammelkomplex Lhc in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten findet täglich eine Proteinsynthese statt. Licht reguliert dabei die Transkription und Translation beteiligter kernkodierter Gene. Bei der Tomate waren 2004 19 solcher Lhc-Gene bekannt.

Bei Tieren wurden im Zentralnervensystem klare Schrittmacherzentren gefunden. Bei Insekten liegen sie in den optischen Loben, bei Weichtieren an der Basis der Retina und bei Wirbeltieren im Nucleus suprachiasmaticus (NSC) und/oder im Pinealorgan. Das Pinealorgan, auch Zirbeldrüse oder Epiphyse genannt, produziert Melatonin.

Bei Fischen, Amphibien, Reptilien und vielen Vögeln ist das Gewebe der Epiphyse trotz seiner Lage tief im Gehirn lichtempfindlich. Bei Reptilien und einigen Vögeln arbeitet die Epiphyse noch unabhängig und steuert neben der circadianen Melatoninproduktion weitere Rhythmen, etwa Körpertemperatur und Nahrungsaufnahme. Sie gilt vermutlich als entwicklungsgeschichtlich älter als der NSC. Bei Säugetieren wird das Pinealorgan vom NSC gesteuert. Hinweise auf weitere Schrittmacher, beispielsweise in der Netzhaut, liegen vor; ihre genaue Funktionsweise ist jedoch noch unbekannt.

Chronobiologie beim Menschen

Der moderne Lebensstil weicht in westlichen Kulturen zunehmend von den Bedingungen ab, die durch die biologische Uhr vorgegeben werden. Dazu trägt unter anderem der steigende Anteil von Schichtarbeit bei. Außerdem verbringen Menschen mehr Zeit in Innenräumen. Dort liegt die Lichtstärke selten über 500 Lux, während sie im Freien bei bedecktem Himmel etwa 8.000 Lux und an einem Sonnentag bis zu 100.000 Lux beträgt.

Ein dauerhaftes Lichtdefizit kann Schlaf- und Essstörungen, Energielosigkeit und schwere Depressionen begünstigen. In nördlichen Ländern wie Norwegen kann die tägliche Lichtausbeute im Winter gegen null tendieren. Dort ist Lichttherapie gegen die sogenannte Winterdepression beziehungsweise saisonale affektive Störung (SAD) als wirksam anerkannt. Gleichzeitig ist aus einer Studie bekannt, dass die Suizidrate in Grönland im Sommer sehr deutlich ansteigt.

Die Forschung versucht, die innere Uhr gezielt zu beeinflussen, um unter anderem Schlafstörungen durch SAD, Schichtarbeit oder Jetlag zu behandeln. Im Januar 1998 berichteten Scott Campbell und Patricia Murphy aus dem Labor für menschliche Chronobiologie der Cornell-Universität in White Plains (New York) in der Zeitschrift Science, dass Licht auf die Kniekehlen den biologischen Rhythmus ebenso wirksam wie Licht auf die Augen und unabhängig von diesen umstellen könne.

Diese Aussage wurde später in ihrer Ausschließlichkeit revidiert. Kenneth Wright und Charles Czeisler von der Harvard Medical School wiederholten das Experiment mit veränderter Messung. Campbell und Murphy hatten die Körpertemperatur als Indikator der circadianen Phase verwendet; einer späteren Studie zufolge kann sie jedoch bis zu 5 Stunden von der circadianen Phase abweichen. Wright und Czeisler untersuchten deshalb den als präziser geltenden Spiegel des Nachthormons Melatonin. Das 2012 in Science veröffentlichte Ergebnis lautete, dass Licht auf die Kniekehlen die circadiane Uhr nicht verschob.

Forschung und heutige Anwendungen

Jean Jacques d’Ortous de Mairan berichtete im 18. Jahrhundert über tägliche Blattbewegungen der Mimose. Seine Experimente zeigten, dass die Blätter auch im Dauerdunkel tagesrhythmisch weiter schwangen. Johann Gottfried Zinn zeichnete 1759 erstmals einen circadianen Rhythmus bei der Gartenbohne auf. Ein Hebelmechanismus übertrug die Blattbewegungen auf eine rotierende Walze. Nachdem zunächst drei Tage lang ein 12-stündiger Licht-Dunkel-Wechsel geherrscht hatte, blieb das Licht ab dem vierten Tag aus. Die Blattbewegungen hörten im Dauerdunkel nicht auf. Damit war zumindest Licht als Ursache ausgeschlossen, auch wenn bis in die 1980er-Jahre nach anderen äußeren Ursachen gesucht wurde.

Im 20. Jahrhundert begann die systematische wissenschaftliche Erforschung. Zu den Pionieren zählen Wilhelm Pfeffer, Erwin Bünning, Karl von Frisch, Jürgen Aschoff, Colin Pittendrigh, Gunther Hildebrandt und ab den 1960er-Jahren Arthur Winfree. 1983 wurde im Spacelab 1 der Schimmelpilz Neurospora untersucht. Außerhalb der Erde zeigte sich kein Unterschied zur Kontrollgruppe in Cape Canaveral. Heute besteht Konsens, dass circadiane und mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit auch infradiane und ultradiane Rhythmen endogene Phänomene sind.

Eine zentrale Forschungsmethode war die Suche nach genetischen Mutationen. Konopka fand 1970 bei Drosophila melanogaster Mutationen, die den circadianen Rhythmus des Schlüpfens veränderten. Normalerweise schlüpfen die Fliegen ungefähr alle 24 Stunden zu einer bestimmten Zeit. Die Varianten Pershort schlüpften alle 19 Stunden, Perlong alle 29 Stunden und Per- zeigte keinen Rhythmus. Die Nachkommen erbten das jeweilige Verhalten. Alle Varianten hatten einen Defekt am gleichen Genlocus. Ende der 1990er-Jahre wurden bei verschiedenen Säugetieren Clock-Gene wie Bmal1, Clock, Per1, Per2, Per3, Cry1 und Cry2 gefunden.

Seit den 1990er-Jahren ist Chronobiologie interdisziplinär und verbindet unter anderem Verhaltensbiologie, Physiologie, Genetik, Ökologie, Psychologie und Medizin, insbesondere Endokrinologie. Sie nutzt molekularbiologische und mathematische Methoden. Zentrale Fragen betreffen die Arten biologischer Rhythmen, ihre endogene Entstehung, die Lage und Funktion der Oszillatoren, ihre Kopplung an physiologische Prozesse, die Wirkung von Zeitgebern sowie Entrainment und Masking. Entrainment bezeichnet die Angleichung eines inneren Rhythmus an äußere Zyklen.

Anwendungen gibt es in der Vieh- und Pflanzenzucht, Sozialmedizin, Pharmakologie und Psychiatrie sowie besonders in Schlaf-, Sport-, Flug- und Raumfahrtmedizin. Chronobiologie wird an vielen Universitäten gelehrt. Seit 2012 besteht an der Hochschule München die Stiftungsprofessur „Licht und Gesundheit“.