Chronobiologie
Einleitung
Die Chronobiologie versucht die zeitliche Organisation in Physiologie und Verhalten von Organismen zu erklären. In dieser Organisation spielen Rhythmen, häufig von endogenen (inneren) biologischen Uhrsystemen verursacht, eine große Rolle.Dabei stehen drei Fragenkomplexe im Mittelpunkt:
- welche Art von biologischen Rhythmen gibt es, wie beeinflussen sie unterschiedlichste biologische Abläufe?
- ist der Rhythmus endogen? Wenn ja, wo ist der Rhythmus generierende Oszillator, der Schrittmacher lokalisiert und wie funktioniert dieser?
- Welches sind exogene (äußere), rhythmische, Faktoren, die sogenannten Zeitgeber, und wie wirken sie auf die biologische Uhr?
Beispiele für biologische Rhythmen
In der nachfolgenden Tabelle sind einige Beispiele für die Tagesrhythmik verschiedener physiologischer Ereignisse bzw. Funktionen des Menschen aufgeführt. So steigt beispielsweise die Körpertemperatur schon vor dem Aufwachen an. Der Körper antizipiert also schon die erhöhte Aktivität. Auch bei dämmerungs- oder nachtaktiven Tieren und sogar bei Pflanzen kann dieses Antizipieren der Aktivitätsphasen beobachtet werden. Der für Pflanzen wichtige Sonnenaufgang und damit der Beginn der Photosynthese wird von Pflanzen durch Aktivierung des Photosyntheseapparats noch vor Sonnenaufgang vorbereitet. Viele Pflanzen öffnen und schließen ihre Blüten zu bestimmten Tageszeiten (siehe die berühmte Blumenuhr von Linné). Andere Pflanzen, deren Blüten mehrere Tage hintereinander geöffnet sind, produzieren Duftstoffe und Nektar nur zu bestimmten Uhrzeiten. Bestäubende Insekten wie die Bienen stellen ihre Besuche darauf ein.
Arten von biologischen Rhythmen
Es werden je nach Periodelänge drei Kategorien unterschieden,.
- Infradiane Rhythmen (von lat. infra, unter, und dies, Tag = die Frequenz liegt unter der eines Tages, ist also länger als ein Tag)
- Ultradiane Rhythmen (von lat. ultra, über, und dies, Tag = die Frequenz liegt über der eines Tages, kommt also mehrmals täglich vor)
- Circadiane Rhythmen (von lat. circa, ungefähr, und dies, Tag)
Am weitaus besten erforscht sind die circadianen Rhythmen. Dies hat natürlich historische Gründe – so sind Tageszyklen noch offensichtlicher als beispielsweise Jahreszyklen, aber auch „Eigennutz“ ist einer der Gründe. Viele Phänomene der circadianen Rhythmen betreffen den Menschen ganz unmittelbar. Daher beziehen sich weitere Ausführungen, sofern nicht anders erwähnt, auf circadiane Rhythmen.
Geschichte der Chronobiologie
Schon im 18. Jahrhundert berichtete der Astronom Jean Jacques d’Ortous de Mairan von täglichen Blattbewegungen der Mimose. Bei Experimenten konnte er zeigen, dass die Blätter auch im Dauerdunkel (DD) tagesrhythmisch weiter schwingen. Ähnliche Berichte über rhythmische Phänomene stammen unter anderem von Lichtenberg, Hufeland, Linné und Darwin. Aber erst im 20. Jahrhundert begann die wissenschaftliche Erforschung dieser Phänomene. Zu den Pionieren der Chronobiologie zählen: Wilhelm Pfeffer, Erwin Bünning, Karl von Frisch, Jürgen Aschoff und Colin Pittendrigh.Eine entscheidende Beobachtung bei circadianen Rhythmen war die Tatsache, dass viele natürliche Rhythmen auch unter konstanten Laborbedingungen in unveränderter Stärke (ungedämpft) weiterschwingen. Die Periodenlänge (τ) ist allerdings nur jeweils 'circa' mit der unter natürlichen Bedingungen vergleichbar. Die Synchronisation der inneren Uhr erfolgt durch "Zeitgeber", z.B. Licht oder Temperatur.
Sitz der circadianen Uhr(en)
Um es vorweg zu nehmen – die Uhr gibt es nicht. Die Beantwortung der Fragen: wo sitzt die Uhr, wie sieht sie aus und wie funktioniert sie ist in erster Linie davon abhängig, ob es sich um Pflanze oder Tier und wenn Tier, welches Tier handelt. Da sehr viele Rhythmen aber anscheinend mit Licht in Zusammenhang stehen, können wir davon ausgehen, dass bei der Lokalisation der Uhr häufig nach assoziierten Lichtrezeptoren gesucht werden muss.Einzeller
Seit den vierziger Jahren des 20. Jahrhunderts ist bekannt, dass auch Einzeller eine Innere Uhr besitzen. Damit war schon früh deutlich, dass für die Funktion einer Uhr keine Netzwerke benötigt werden. Algen wie Euglena oder Chlamydomonas haben einen circadianen Rhythmus der Phototaxis. Beim Paramecium konnten circadiane Prozesse gefunden werden. Marine Dinoflagellaten, wie z.B. Gonyaulax polydera haben ebenfalls eine circadiane Organisation. Sie steigen schon eine Stunde vor Sonnenaufgang an die Wasseroberfläche, wo sie dichte Schwärme bilden und Photosynthese betreiben. Bei günstigen Bedingungen verursachen sie die sogenannte 'red tide'. Noch vor Sonnenuntergang sinken die Einzeller wieder in die Tiefe. Während der Nacht produzieren sie dort mit Hilfe des Luciferasesystemssystems biochemisch Licht, vermutlich um ihre Fressfeinde, Copepoden, abzuwehren. Dieses Verhaltensprogramm verläuft auch im Labor unter konstanten Bedingungen rhythmisch weiter.Inzwischen konnte auch gezeigt werden, dass Prokaryoten (Bakterien, und Cyanobakterien) ebenfalls circadiane Rhythmen haben.
Pflanzen
Bei Pflanzen wurde bis jetzt keine zentrale Steuerung der inneren Uhren oder Schrittmacher gefunden. Zur Zeit wird davon ausgegangen, dass die Steuerung physiologischen Vorgänge, insbesondere der Photosynthese und häufiger, damit verbundener Bewegungen, von mehreren, über die ganze Pflanze verteilter Uhren gesteuert wird.Für andere, täglich vorkommende Ereignisse, z.B. die Erneuerung des Photosyntheseapparates konnte auch eine direkte Lichtwirkung auf die Genexpression nachgewiesen werden. Für den Lichtsammelkomplex (Lhc) in den Thylakoidmembranen der Chloroplasten findet täglich eine Proteinsynthese statt. Dabei regelt Licht die Transkription und Translation der beteiligten kernkodierten Gene. So sind bei der Tomate z.Z. (2004) 19 solcher Lhc-Gene bekannt. Intensive Forschung findet z.Z. auf dem Gebiet des Transfers solcher Lhc-Gene und ihrer Promotoren statt.
Tiere
Bei Tieren konnten im Zentralnervensystem (ZNS) klare Schrittmacherzentren lokalisiert werden. Da, wie oben schon erwähnt, Rhythmen häufig mit Licht assoziiert sind ist es nicht verwunderlich, dass sich diese Uhren im Bereich des visuellen Systems finden.SCN suprachiasmatische nuclei als Sitz der inneren Uhr des Menschen, synchronisiert durch Lichtreize sowie andere "Zeitgeber" wie Essenzeitpunkt oder Arbeitsrhythmus. Output über die glandula pinealis als Melatonin.
Bei Insekten in den optischen Loben
Bei Weichtieren an der Basis der Retina
Bei Wirbeltieren im, über der Kreuzung der Sehnerven gelegenen. SCN (Suprachiasmatischer Nucleus) und/oder in der Epiphyse (dorsale Hirnanhangsdrüse oder Pinealorgan).
Die Epiphyse produziert das Hormon Melatonin.
Bei Fischen, Amphibien, Reptilien und vielen Vögeln ist die Epiphyse noch lichtempfindlich. Außerdem ist sie bei Reptilien und einigen Vögeln noch unabhängig und steuert außer der circadianen Melatininproduktion auch noch andere circadiane Rhythmen wie z.B. die Körpertemperatur und Nahrungsaufnahme. Man kann davon aus gehen, dass sie entwicklungsgeschichtlich älter ist als der SCN.
Säugetiere
Bei Säugetieren unterliegt das Pinealorgan der Steuerung durch den SCN. Inzwischen gibt es viele Hinweise darauf, dass noch andere Schrittmacher existieren, beispielsweise in der Netzhaut. Wie diese Uhren allerdings genau funktionieren, ist noch unbekannt.Mensch
Wie bereits erwähnt, erlangt die Chronobiologie für den Menschen immer größere Wichtigkeit. Erstens weicht unser moderner Lebensstil immer mehr von den Rahmenbedingungen, die unsere biologische Uhr uns vorgibt ab. So nimmt der Anteil an Schichtarbeitern immer mehr zu. Zweitens setzen wir uns immer weniger Sonnenlicht aus. Wir verbringen – besonders im Winter - immer mehr Zeit in Innenräumen, wo die Lichteinstrahlung selten höher als 500 Lux liegt. Ein bedeckter Himmel im Freien hat aber immer noch 8.000 Lux und ein Sonnentag sogar 100.000 Lux. Somit leben wir in Bezug auf unser chronobiologisches System im Dunkeln und unsere circadiane Uhr, die eigentlich täglich einer neuen „Eichung“ bedarf, hat mit immensen Problemen zu kämpfen. Die Auswirkungen können sein: Schlaf- und Essstörungen, Energielosigkeit bis hin zu schweren Depressionen. In nördlichen Ländern (z.B. Norwegen), wo im Winter die Lichtausbeute pro Tag sogar gegen Null gehen kann, ist inzwischen die Lichttherapie gegen die sogenannte Winterdepression als wirksam anerkannt. Drittens sind häufige Reisen über mehrere Zeitzonen (d.h. in Ost-West- oder West-Ost-Richtung) eine große Belastung für unser circadianes System.In der Bevölkerung können zwei Hauptkategorien von "Chronotypen" unterschieden werden. Die einen gehen gerne spät zu Bett und schlafen gerne länger – die "Eulen", während die "Lerchen" früh zu Bett gehen und früh aufstehen. Da diese Unterschiede durch genetische Prädisposition zu Stande kommt, ist ein "Umerziehen" so gut wie ausgeschlossen. Das bedeutet aber, dass ein großer Teil der Bevölkerung ständig 'wider' ihre Anlagen lebt. (siehe Verein "Zweitnormalität") Bei Jugendlichen, die während der Pubertät tendenziell alle Eulen sind, konnte beispielsweise nachgewiesen werden, dass eine Stunde später beginnen – besonders im Winter - zu allgemeiner Leistungsverbesserung und besserem Gesundheitszustand führte. Neben dieser Unterscheidung in Eulen und Lerchen ist auch zu beobachten daß es die Kurz- und Langschläfer gibt, mit allen möglichen Kombinationen aus diesen verschiedenen Typen. Daneben Menschen mit der Unfähigkeit ihren Schlaf mit dem Tageslicht zu synchronisieren.
Ein weiterer interessanter chronobiologischer Ansatz ist die veränderte Altersstruktur unserer Gesellschaft. Bei Babys überherrscht noch das ultradiane System – kurze Aktivitätsphasen wechseln mit Schlafphasen ab – bis das circadiane System sich soweit entwickelt hat, die Führung übernehmen zu können. Mit zunehmendem Alter allerdings verliert es wieder an Einfluss. Dadurch können viele Schlaf und Aktivitätsprobleme älterer Menschen erklärt werden.
Arbeitsmethoden
Wie schon kurz bei „Geschichte der Chronobiologie“ beschrieben, waren rhythmische Phänomene bei Pflanzen und Tieren schon lange bekannt. Erste Aufzeichnungen eines circadianen Rhythmus machte beispielsweise Zinn schon 1759 bei der Bohnenpflanze. Dazu befestigte er an den Blättern der Pflanze einen Hebelmechanismus, der die tagesperiodischen Bewegungen der Blätter auf eine rotierende Walze übertrug. Senkte sich das Blatt, hinterließ das auf der Walze eine nach oben gerichtete Linie, hob sich das Blatt wieder, zeigte die Linie wieder nach unten. Diese Aufstellung verfolgte er über mehrere Tage, wobei nur die ersten drei Tage das Licht in 12-stündigem Wechsel an und aus ging und ab dem vierten Tag aus blieb. Wäre die Blattbewegung nur auf den Licht-Dunkelwechsel (LD) zurückzuführen, wäre zu erwarten gewesen, dass die Blattbewegungen mit andauernder Dunkelheit (DD) aufhören. Das taten sie nicht. Damit war zumindest Licht als Ursache für diese Bewegungen ausgeschlossen.Allerdings wurde noch bis in die 80er Jahre des 20. Jahrhunderts versucht, andere exogene Ursachen dafür verantwortlich zu machen. Das Spacelab 1 hatte Neurospora ein Schimmelpilz mit an Bord, um die circadiane Rhythmik außerhalb der Erde zu testen. Es konnte kein Unterschied zur Kontrollgruppe in Cape Canaveral gefunden werden. Circadiane Rhythmen und mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit auch infradiane und ultradiane Rhythmik sind endogene Phänomene, darüber besteht inzwischen Konsens.
Auffallend ist, dass die meisten anfänglichen Experimente sich auf die funktionale Bedeutung einer circadianen Uhr richteten. Anscheinend konnte nur dann an eine endogene Uhr geglaubt werden, wenn diese für andere Phänomene, beispielsweise die Kompassorientierung bei Zugvögeln, gebraucht wurde.
Eine wichtige Methode bei der Untersuchung dieser Phänomene ist im letzten Jahrhundert das Finden und Selektieren genetischer Mutationen gewesen. Als erstem gelang das Konopka 1970 bei der Taufliege Drosophila melanogaster. Diese kleinen Insekten haben eine starke circadiane Rhythmik beim Schlüpfen der Fliegen aus den Puppen. Dieser Rhythmus beträgt normalerweise circa 24 Stunden. Das heißt die Fliegen schlüpfen nicht willkürlich über den Tag verteilt, sondern zu einer bestimmten Zeit. Wer um diese Zeit nicht geschlüpft ist, tut es an diesem Tag nicht mehr, sondern am nächsten Tag. Die Nachkommen dieser Fliegen halten es mit dem Schlüpfen so wie ihre Eltern. Konopka konnte eine Variante finden und weiterzüchten, die nicht alle 24 Stunden sondern alle 19 Stunden schlüpfte – ebenso deren Nachkommen (Pershort), eine Variante die alle 29 Stunden schlüpfte (Perlong), und eine Variante ohne Rhythmus (Per-). Alle diese Varianten hatten einen Defekt auf dem gleichen Genlokus. Ende der 90er Jahre konnten auch bei verschiedenen Säugetieren „clock-Gene“ gefunden werden. (BMal, Clock, MPer1, Mper2, Mper3, Cry1, Cry2).
Seit den 90er Jahren des 20. Jahrhunderts hat sich die Chronobiologie stark interdisziplinär entwickelt. Die Forschung konzentriert sich hier nicht auf eine Methode oder ein Niveau, sondern schöpft ihren Zusammenhang aus einer fundamentalen Fragestellung heraus. Das Fachgebiet verwendet sowohl molekuläre, physiologische, ökologische, psychologische und mathematische Methoden und beschäftigt sich mit Pflanzen und Tieren, inklusive dem Menschen. Anwendung findet die Chronobiologie bei Vieh– und Pflanzenzucht, im sozial-medischen Sektor, wie Schichtarbeit, Pharmakologie und Psychiatrie, um nur einige zu nennen. Die Verhaltensbiologie wird bei der Entschlüsselung interner Gehirnmechanismen gefordert.
Chronobiologische Fachzeitschriften
Lehrstühle und Forschungsgruppen in der Chronobiologie
- Zentrum für Chronobiologie, Ludwig-Maximilians-Universität, München
- Lehrstuhl für Neurobiologie Circadianer Rhythmen (NCR), Johann-Wolfgang-Goethe Universität Frankfurt
- Groningen Center of Behavioural and Cognitive Neuroscience (BCN), Rijksuniversiteit Groningen/Niederlande
- Center for Biological Timing
- AK Neurobiologie Circadianer Rhytmen, Johann W. Goethe Universität, Frankfurt am Main
Weiterführende Literatur
- Arthur T. Winfree: "Biologische Uhren. Zeitstrukturen des Lebendigen" ISBN 3-925-0887-1
- G. Hildebrandt, M. Moser und M. Lehofer: "Chronobiologie und Chronomedizin", Hippokrates Verlag 1998, ISBN 3-777-31302-5
- "Vertebrate Circadian Systems", Structure and Physiology, Ed. J. Aschoff, S. Daan, G.A. Groos, Spinger Verlag ISBN 3-540-11664-8 in englischer Sprache
- Björn Lemmer: "Chronopharmakologie. Tagesrhythmen und Arzneimittelwirkung." Stuttgart 2004. ISBN 3-8047-1304-1
