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

Ein faszinierendes biologisches Phänomen ist die innere Uhr aller auf der Erde lebenden Lebewesen auf der Erde mit einem 24-Stunden-Zyklus.

Dieser Zyklus ist eng mit der Rotation unseres Planeten und dem Wechsel von Tag und Nacht verbunden. Er 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

Die Chronobiologie erforscht, wie die Erdrotation, die sich in einem 24-Stunden-Zyklus um die eigene Achse vollzieht, biologische Rhythmen beeinflusst. Diese regelmäßige Abfolge von Tag und Nacht, charakterisiert durch Licht und Dunkelheit, spielt eine entscheidende Rolle in der Regulation unseres zirkadianen Rhythmus. 

Forschungen haben gezeigt, dass dieser Rhythmus nicht nur unseren Schlaf-Wach-Zyklus steuert, sondern auch wesentlich unsere Verdauung, Hormonausschüttung und sogar die Genexpression beeinflusst. Durch ein tieferes Verständnis dieser Zusammenhänge können wir bessere Strategien zur Förderung der Gesundheit und des Wohlbefindens entwickeln.

Seit ihrem Entstehen und ihrer Evolution haben sich alle Lebewesen an diesen Rhythmus angepasst.

Bereits im 18. Jahrhundert unternahm der Astronom Jean Jacques d’Ortous de Mairan wegweisende Experimente zur zirkadianen Rhythmik bei Pflanzen. Durch die Beobachtung von Mimosen konnte er feststellen, dass diese auch ohne direkte Sonneneinstrahlung ihre Blätter im Rhythmus des Tages öffneten und nachts schlossen.

Diese Entdeckung führte zu der Frage, wie Pflanzen in permanenter Dunkelheit reagieren würden. Überraschenderweise zeigten seine Experimente, dass Mimosen für eine gewisse Zeit weiterhin ihrem eingebauten zirkadianen Zyklus folgten. Diese Beobachtungen deuteten erstmals darauf hin, dass lebende Organismen über eine innere biologische Uhr verfügen, die auch ohne äußere Zeitgeber wie Licht und Dunkelheit funktioniert 

 – Ein Beweis für die Existenz einer inneren Uhr der Pflanzen.

Die Innere Uhr des Menschen

Und so ist es nicht verwunderlich, dass die Menschen vom Anbeginn ihrer Existenz an, d. h. seit dem Entstehen der ältesten Vertreter des Homo vor 2,5 bis 1,9 Millionen Jahren, in ihren Zellen innere Uhren besaßen und besitzen, die auf 24 Stunden geeicht sind und die Aktivitäten diverser Körperfunktionen steuern.

Die bahnbrechende Entdeckung der inneren Uhr

1984 machten die US-amerikanischen Forscher Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young eine entscheidende Entdeckung im Bereich der Chronobiologie, indem sie das „Periodic“-Gen (kurz „PER“) bei Drosophila, den gemeinen Taufliegen, identifizierten, welches deren zirkadianen Rhythmus reguliert. Kurz darauf ergänzte Young das Puzzle um ein weiteres Gen, „Time“ (kurz „TIM“), das in direkter Interaktion mit PER steht und somit den zirkadianen Rhythmus zusätzlich steuert. 

Diese Pionierarbeit, die ein neues Verständnis der Mechanismen hinter biologischen Uhren eröffnete, wurde am 2. Oktober 2017 mit dem Nobelpreis für Physiologie und Medizin gewürdigt. Die feierliche Überreichung des Preises, der mit 9 Millionen Schwedischen Kronen (etwa 930.000 Euro) dotiert ist, fand traditionell am 10. Dezember 2017, dem Todestag von Alfred Nobel, von dem schwedischen König in Stockholm übergeben.

Die Komplexität der Inneren Uhr

Heute kennen die Wissenschaftler insgesamt 8 verschiedene „Uhren-Gene“. Von diesen Genen wissen sie, dass sie Hunderte anderer Gene beeinflussen und steuern können. So konnten die Forscher die Komplexität der zirkadianen Rhythmen entschlüsseln, indem sie die genetischen Grundlagen der inneren Uhr bei verschiedenen Organismen aufdeckten. 

Die Gene der inneren Uhr funktionieren so: PER-Gene initiieren die Produktion von PER-Proteinen, welche die eigene Synthese in einem Feedback-Mechanismus regulieren, indem sie ihre Konzentration im Zellkern zyklisch verändern. TIM-Proteine interagieren mit PER, modulieren dessen Aktivität und verfeinern somit den Rhythmus. Diese Interaktionen bilden eine genetische Schleife, die den Organismen ermöglicht, die Dauer eines Tages zu „erfahren“.

Darüber hinaus haben neuere Studien gezeigt, dass neben PER und TIM weitere molekulare Komponenten, wie beispielsweise das Cryptochrome (CRY)-Gen, an der Regulierung des zirkadianen Rhythmus beteiligt sind, was die Komplexität der inneren Uhr weiter erhöht. 

Diese Erkenntnisse verdeutlichen, wie genetische Mechanismen es Lebewesen ermöglichen, sich an den 24-Stunden-Zyklus der Erde anzupassen, ein Prozess, der bei allen Spezies erstaunlich ähnlich ist.

Die Vielfalt Innerer Uhren

Interessanterweise verfügt der menschliche Körper nicht nur über eine “Normalzeit“. Denn 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 Ursachen vieler Volkskrankheiten beruhen auf einem Auseinanderdriften von “Innenzeit” und “Außenzeit”.

Jeder, der schon einmal einen Langstreckenflug hinter sich gebracht und im Anschluss unter Jetlag gelitten hat, kennt das Gefühl, wenn die innere Uhr aus dem Gleichgewicht gerät. Das Aufwachen in der Nacht und das Gefühl der Erschöpfung am Tag sind typische Symptome. Der Körper benötigt Zeit, um die zirkadianen Rhythmen, gesteuert durch die Gene TIM und PER, wieder zu synchronisieren. Tageslicht, das über die Netzhaut wahrgenommen wird, spielt hierbei eine zentrale Rolle für die Neujustierung der biologischen Uhr. Für blinde Menschen kann dieser Prozess noch herausfordernder sein.

In unserer modernen Gesellschaft, die rund um die Uhr aktiv ist, entfernen wir uns immer weiter von den natürlichen biologischen Rhythmen. Globale Studien befassen sich mit den Auswirkungen einer Desynchronisation zwischen innerer und äußerer Uhr und deren Einfluss auf die menschliche Gesundheit. Die Störung der inneren Uhr ist nicht nur unangenehm, sondern steht auch in Verbindung mit verschiedenen Zivilisationskrankheiten. Diese Uhren regulieren nicht nur Schlaf, Hormonspiegel, Körpertemperatur und Stoffwechsel, sondern beeinflussen auch das Verhalten und können das Krebsrisiko erhöhen.

Die Folgen einer gestörten zirkadianen Rhythmik reichen von Übergewicht über Diabetes bis hin zu einem erhöhten Krebsrisiko, da 10 bis 20 % aller Gene einem zirkadianen Rhythmus folgen. Medizinische Fachkräfte sollten daher tageszeitliche Schwankungen in vielen Bereichen, wie dem Stoffwechsel, berücksichtigen.

Übergewicht, beeinflusst durch falsche Ernährung, kann ebenfalls die Funktion der inneren Uhr stören und zu einem selbstverstärkenden Zyklus führen. Zudem kann Schlafmangel Übergewicht fördern. Nicht nur die innere Uhr, sondern auch blaues Licht von Bildschirmen vor dem Schlafengehen kann die Schlafqualität beeinträchtigen. Daher sollte die Chronobiologie auch bei der Medikamenteneinnahme eine größere Rolle spielen, um die Effektivität der Behandlung unter Berücksichtigung der inneren Uhr zu optimieren.

Fazit

Die Forschung der Wissenschaftler zu unserer 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 haben die zentrale Bedeutung dieser inneren Uhr bestätigt.

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.

Die Chronobiologie hilft, diese Rhythmen zu verstehen und für ein gesünderes Leben zu nutzen. Zugleich eröffnet sie ein faszinierendes Forschungsfeld mit der Ermöglichung gezielterer und verbesserter Therapien.