Der 24-Stunden-Zyklus: Bedeutung für Mensch und Tier

Die biologische Uhr, die den 24-Stunden-Zyklus regelt, ist ein faszinierendes Phänomen, das alle Lebewesen auf der Erde betrifft. Dieser Zyklus, der eng mit der Rotation unseres Planeten und dem Wechsel von Tag und Nacht verbunden ist, spielt eine entscheidende Rolle in der Chronobiologie.

In diesem Artikel werden wir die Bedeutung des 24-Stunden-Zyklus für Mensch und Tier erkunden und die bahnbrechenden Erkenntnisse betrachten, die in diesem Bereich gewonnen wurden.

Die Anfänge der Chronobiologie

Seit der Entstehung des Lebens waren alle Lebewesen im Laufe der Evolution stets mit dem Umstand konfrontiert, dass es einen 24 Stunden-Rhythmus gibt.

Ohne die Astronomie beziehungsweise die Tatsache, dass wir auf einem Planeten leben, der sich einmal in 24 Stunden um die eigene Achse dreht und diese Zeitspanne in Tag und Nacht, also hell und dunkel, aufgeteilt ist, gäbe es die Chronobiologie nicht.

Tatsächlich hat ein Astronom namens Jean Jacques d’Ortous de Maira bereits im 18. Jh. erste Versuche zur inneren Uhr von Pflanzen unternommen. Bei Mimosen-Pflanzen beobachtete er die täglichen Veränderungen zwischen Tag und Nacht und fragte sich, was wohl passieren würde, wenn er die Pflanzen fortwährend in die Dunkelheit stellen würde.

Das Ergebnis war, dass die Pflanzen noch ein paar Tage lang ihren üblichen Tag-Nacht-Rhythmus beibehielten – auch ohne die Hell-dunkel-Information. Eigentlich war bereits dies der Beweis für die Existenz einer inneren Uhr.

Die Innere Uhr des Menschen

Und so wundert es nicht, dass auch die Zellen von Menschen innere Uhren besitzen, von denen die Aktivität diverser Körperfunktionen gesteuert werden.

Bereits in der Steinzeit hatte der Mensch eine innere Uhr, die auf 24 Stunden geeicht war. Doch heute leben wir in einer 7-Tage-24-Stunden Gesellschaft. Unsere Zivilisation entfernt uns in krank machender Weise immer weiter von der alten Biologie.

Zahlreiche Forscher befassen sich rund um den Globus mit der Frage, was passiert, wenn bei Menschen die innere und äußere Uhr nicht mehr synchron laufen.

Die Bahnbrechende Entdeckung

Die bahnbrechende Entdeckung der inneren Uhr gelang den 3 amerikanischen Wissenschaftlern Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young bereits im Jahr 1984. – Am 02.10.2017 haben die Wissenschaftler für ihre Erforschung den Nobelpreis für Physiologie und Medizin zugesprochen bekommen.

Wie in jedem Jahr wurde der mit 930.000 € (9 Mio. Schwedischen Kronen) dotierte Nobelpreis am 10.12.2017, dem Todestag von Alfred Nobel, von dem schwedischen König in Stockholm übergeben.

Hall und Rosbash hatten bei Taufliegen ein Gen identifiziert, das den Tageszyklus dieser Insekten steuert. Sie tauften dieses Gen „Periodic“ und als Abkürzung kurz „PER“. Wenig später entdeckte Young ein zweites Gen, das mit PER in enger Wechselwirkung steht und es „Time“ und als Abkürzung kurz „TIM“ nannte.

Die Komplexität der Inneren Uhr

Heute sind insgesamt 8 verschiedene „Uhren-Gene“ bekannt, von denen man weiß, dass sie Hunderte anderer Gene beeinflussen und steuern können.

Die Gene der inneren Uhr funktionieren so: Das PER-Gen produziert ein PER-Protein, das im Zellkern dafür sorgt, dass die PER-Produktion gedrosselt wird. So kommt es also zu einer zeitlichen Schwingung der PER-Konzentration in der Zelle. Diese Rückkopplungsschleife wird noch dadurch modifiziert, dass das TIM-Gen mit der Produktion des TIM-Proteins diese Rückwirkung bremsen kann.

TIM bindet sich an PER und verringert damit die Rückkopplung von PER an die PER-Produktion. In Wirklichkeit ist aber alles noch viel komplizierter, weil noch weitere Gene und Proteine am Takt der inneren Uhr beteiligt sind.

So haben die Wissenschaftler die Funktionsweise der inneren Uhr von Lebewesen und jene Mechanismen entschlüsselt, welche die innere Uhr von Lebewesen steuern, und sie haben zeigen können, dass die innere Uhr von Lebewesen genetisch festgelegt ist; zudem haben sie den sich selbst regulierenden Mechanismus aufgeklärt, der in einer Rückkopplungsschleife dafür sorgt, dass die Zellen wissen, wie lang eine Tagesperiode dauert.

Mit den Forschungsergebnissen konnte erstmals erklärt werden, wie sich Pflanzen, Tiere und der Mensch physiologisch an den Tagesrhythmus anpassen können. Erstaunlicher Weise sind dies bei allen Lebewesen auf diesem Planeten die gleichen Mechanismen, von denen die innere Uhr gesteuert wird.

Die Vielfalt Innerer Uhren

Interessanterweise verfügt der menschliche Körper nicht nur über eine “Normzeit”. Verschiedene Gewebe und Zelltypen richten sich nach unterschiedlichen inneren Uhren.

Dies kann zu einem Auseinanderdriften von Innenzeit und Außenzeit führen, was wiederum erhebliche Auswirkungen auf die Gesundheit haben kann.

Die Auswirkungen auf die Gesundheit

Die Ursache von vielen Volkskrankheiten ist auf ein Auseinanderdriften von Innenzeit und Außenzeit zurückzuführen. Dass es unangenehm ist, wenn die innere Uhr nicht mehr mit der äußeren Uhr übereinstimmt, weiß jeder, der nach einer längeren Flugreise unter einem Jetlag gelitten hat.

Danach benötigt der Körper einige Tage, bis die TIMs und PERs in den Zellen die Uhr synchronisiert haben. Die entscheidende Rolle spielt dabei das von der Netzhaut registrierte Tageslicht. Von der Netzhaut gelangen Hell-dunkel-Informationen in das Gehirn, mit denen letztlich die inneren Uhren im Körper wieder neu gestellt werden können.

Bei Blinden kann es deshalb schwieriger sein, eine einmal verstellte Uhr wieder in den richtigen Tag zu bringen. Es geht bei verstellten inneren Uhren aber nicht nur um Unannehmlichkeiten.

Mittlerweile ist klar, dass viele Zivilisationskrankheiten durch aus dem Takt geratene innere Uhren begünstigt werden. Nicht nur Hormonspiegel, Schlafrhythmus, Körpertemperatur, der Stoffwechsel werden von den inneren Uhren gesteuert, sondern auch das Verhalten. Sogar das Risiko für Krebserkrankungen kann dadurch erhöht werden.

Es geht auch um ernste Konsequenzen für die menschliche Gesundheit. Vor allem das Auftreten von Übergewicht, von Diabetes und sogar von Krebs können die Folge von dauerhaft verstellten inneren Uhren sein. 10 bis 20 % aller Gene sind in sog. zirkadianen Rhythmen aktiv; deshalb sollten Mediziner in fast allen Disziplinen beachten, dass es bei vielen Parametern, z.B. bei Stoffwechselprozessen, tageszeitliche Schwankungen gibt.

Wenn ein Mensch durch falsche Ernährung übergewichtig geworden ist, so führt auch dies dazu, dass die innere Uhr nicht mehr richtig funktioniert. Ein Teufels-Kreislauf: Eine nicht mehr synchron zum Tag-Nacht-Verlauf tickende Uhr fördert wiederum das Übergewicht.

Aus verschiedenen Studien ist auch bekannt, dass zu wenig Schlaf Übergewicht fördert. Schlafdauer und -qualität hängen gewiss nicht nur von der inneren Uhr ab. Auch durch blaues Licht vor dem Schlafengehen – z.B. von Displays – können zu einem schlechteren Schlaf führen.

Eine stärkere Berücksichtigung der Chronobiologie wäre deshalb auch bei der Einnahme von Medikamenten wünschenswert, um bei der Einnahme der Präparate die innere Uhr der Patienten zu berücksichtigen. Die an diesen Fragen forschenden Wissenschaftler und Mediziner erhoffen sich natürlich vom Nobelpreis 2017 einen Aufwind für ihre Forschung.

Fazit

Die Forschung zur inneren Uhr und dem 24-Stunden-Zyklus hat unser Verständnis von biologischen Prozessen und Gesundheit vertieft. Die Erkenntnisse der Nobelpreisträger Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young verdeutlichen die zentrale Bedeutung dieser inneren Uhr.

Chronobiologie eröffnet ein faszinierendes Forschungsfeld mit Potenzial für gezielte Therapien. Die Kenntnis unseres 24-Stunden-Zyklus und die Synchronisation unserer inneren Uhren sind entscheidend, um Gesundheitsprobleme anzugehen.

Die innere Uhr erinnert uns daran, dass wir in einem universellen Rhythmus leben. Chronobiologie hilft, diese Rhythmen zu verstehen und für ein gesünderes Leben zu nutzen.