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Chronobiologie

Chronobiologie

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Die Chronobiologie (gr. χρόνος chrónos „Zeit“; Biologie = Lehre von der belebten Natur) untersucht die zeitliche Organisation physiologischer Prozesse und wiederholter Verhaltensmuster von Organismen.

Für diese Organisation spielen Rhythmen eine große Rolle, die häufig endogen von einem schwingenden Teilsystem des Organismus erzeugt werden, einer sogenannten „inneren Uhr“, und durch exogene (äußere) Einflüsse, die sogenannten biologischen „Zeitgeber“, in ihrer Taktlänge an zeitlich schwankende Veränderungen der Umgebung wie beispielsweise den Tag-Nacht-Zyklus angepasst werden. Biologische Rhythmen treten mit verschiedener Periodendauer auf und können als wiederholbare Muster der Anpassung innerer Zustände an äußere Umstände verstanden werden.

Dabei stehen drei Fragenkomplexe im Mittelpunkt:

  1. Welche Arten von biologischen Rhythmen gibt es? Und inwiefern sind sie für verschiedene biologische Vorgänge von Bedeutung?
  2. Ist der Rhythmus endogen? Wenn ja, auf welche Weise wird der Rhythmus generiert, wo ist der taktgebende Oszillator lokalisiert, und wie funktioniert dessen Kopplung an andere physiologische Prozesse?
  3. Welches sind mögliche Zeitgeber, also exogene Faktoren, die den inneren Rhythmus beeinflussen können? Und wie können sie auf die biologische Uhr so wirken, dass es zu einer Angleichung an äußere Zyklen kommen kann, als Entrainment oder Masking?

Zeitliche Organisation ist für alle lebenden Organismen von großer Bedeutung. Daher ist es nicht verwunderlich, dass bei allen bisher untersuchten Lebewesen rhythmische Abläufe gefunden werden konnten. Zahlreiche Vorgänge in Organismen sind voneinander abhängig, viele sind nur wirkungsvoll, wenn zuvor andere stattgefunden haben, einige sind nur bei gemeinsamem Auftreten effektiv, manche schließen sich gegenseitig als gleichzeitig aus. Es gibt Prozesse, die nur intern aufeinander abgestimmt werden müssen. Andere Vorgänge sollen auch den Bedingungen der Außenwelt angepasst werden, und weitere Abläufe beziehen sich auf regelmäßige äußere Schwankungen, um ein soziales Verhalten mit Organismen der gleichen Art zeitlich abgestimmt verlässlich zu organisieren oder auch, um solche anderer Art mit höherer Wahrscheinlichkeit treffen zu können. Die Periodenlängen für biologische Rhythmen reichen von Millisekunden bis zu Jahren. Zellteilung, Herzschlag, Atmung, Schlaf, Brunft und Winterruhe sind nur einige Beispiele.

Für den Menschen wurde in den letzten Jahren die chronobiologische Forschung immer wichtiger, da unsere Lebensweise immer häufiger unserer ‚biologischen Uhr’ zuwider läuft. Außerdem gilt es inzwischen in der Medizin als gesichert, dass der Zeitpunkt der Einnahme von Medikamenten großen Einfluss auf deren Wirksamkeit hat. Bei Chemotherapien kann beispielsweise mit sehr viel geringeren Konzentrationen Zytostatika gearbeitet werden, wenn die zeitlichen Fenster bei der Verabreichung beachtet werden.

Biologische Rhythmen sind als empirisch, physiologisch und molekularbiologisch unterlegte Phänomene nicht mit dem Biorhythmus zu verwechseln.

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 Georg Christoph Lichtenberg, Christoph Wilhelm Hufeland, Carl von Linné und Charles 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, sowie ab den 1960er Jahren Arthur Winfree.

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“, zum Beispiel Licht oder Temperatur.[1]

Arbeitsmethoden

A: Bohnenpflanze mit erhobenen Blättern; B: Bohnenpflanze mit hängenden Blättern; Schema; darunter: Aufzeichnung dieser Bewegung über mehrere Tage, die ersten zwei Tage mit Licht-Dunkel-Wechsel, dann Dauerdunkel

Erste Aufzeichnungen eines circadianen Rhythmus machte Johann Gottfried Zinn 1759 bei der Gartenbohne. 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-Dunkel-Wechsel (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 1980er Jahre versucht, andere exogene Ursachen dafür verantwortlich zu machen. Das Spacelab 1 hatte den Schimmelpilz Neurospora 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 20. 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 Genlocus. Ende der 1990er Jahre konnten auch bei verschiedenen Säugetieren „Clock-Gene“ gefunden werden. (Bmal1, Clock, Per1, Per2, Per3, Cry1, Cry2).

Seit den 1990er Jahren 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 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-medizinischen Sektor, wie Schichtarbeit, Pharmakologie und Psychiatrie, um nur einige zu nennen. Die Verhaltensbiologie wird bei der Entschlüsselung interner Gehirnmechanismen gefordert.

Biologische Rhythmen

Es werden je nach Periodenlänge vier Kategorien unterschieden:

  • Infradiane Rhythmen (von lat. infra, unter, und dies, Tag = die Frequenz liegt unter der eines Tages, ein Takt dauert also länger als 24 Stunden). Dazu gehören circannuale Rhythmen, also saisonale Rhythmen wie beispielsweise der Jahreszyklus (ungefähr 365,25 Tage lang) (Vogelzug, Winterschlaf, Mauser), so genannte semilunare Rhythmen, die assoziiert sind mit dem Gezeitenzyklus und zum Beispiel den Abstand zwischen zwei Springfluten (bei Voll- und Neumond) oder zwei Nipptiden (bei Halbmond) takten (ungefähr 14,25 Tage) (Ablaichen der Ährenfische (Grunions) bei Springflut am Strand), oder circalunare Rhythmen, die einem Mondzyklus folgen (ungefähr 28,5 Tage) (Palolowurm).
  • Circatidale Rhythmen. Sie folgen der etwa alle 12,5 Stunden wiederkehrenden Folge von Ebbe oder Flut. Sie sind wichtig für viele Bewohner der Brandungszone. Strandlebende Winkerkrabben gehen zum Beispiel nur bei Ebbe auf Nahrungssuche, im Wasser lebende Krebse schwimmen dagegen nur bei Flut im Wasser umher.
  • Ultradiane Rhythmen (von lat. ultra, über, und dies, Tag = die Frequenz liegt über der eines Tages, das Ereignis kommt also mehrmals täglich vor, im Allgemeinen ein exaktes Vielfaches eines Tages, was diese Rhythmen von den circatidalen Rhythmen unterscheidet). Rhythmen, die kürzer als 24 Stunden sind, beispielsweise Fresszyklen bei Feldmäusen, der 90-minütige Schlafzyklus des erwachsenen Menschen oder die pulsatile Freisetzung von Hormonen der Hirnanhangdrüse.
  • Circadiane Rhythmen (von lat. circa, ungefähr, und dies, Tag). Rhythmen, die circa 24 Stunden lang sind, beispielsweise Schlaf-/Wachzyklus beim Mensch, Blattbewegungen bei Pflanzen.

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.

(Quelle: Spork, 2004, Das Uhrwerk der Natur)

Einzeller

Seit den 1940er-Jahren 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 zum Beispiel Lingulodinium polyedrum (= Gonyaulax polyedra), 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 Algenblüte. Noch vor Sonnenuntergang sinken die Einzeller wieder in die Tiefe. Während der Nacht produzieren sie dort mit Hilfe des Luciferasesystems 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. Zurzeit wird davon ausgegangen, dass die Steuerung physiologischer Vorgänge, insbesondere der Photosynthese und häufiger, damit verbundener Bewegungen, von mehreren, über die ganze Pflanze verteilten Uhren gesteuert wird.

Für andere, täglich vorkommende Ereignisse, zum Beispiel 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 zurzeit (2004) 19 solcher Lhc-Gene bekannt. Intensive Forschung findet zurzeit auf dem Gebiet des Transfers solcher Lhc-Gene und ihrer Promotor 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:

  • bei Insekten in den optischen Loben;
  • bei Weichtieren an der Basis der Retina;
  • bei Wirbeltieren im über der Kreuzung der Sehnerven gelegenen Nucleus suprachiasmaticus (SCN) und/oder in der Zirbeldrüse (Pinealorgan, Epiphyse); die Epiphyse produziert das Hormon Melatonin.

Bei Fischen, Amphibien, Reptilien und vielen Vögeln ist das Gewebe der Epiphyse lichtempfindlich, obwohl tief im Hirn verborgen. Außerdem ist sie bei Reptilien und einigen Vögeln noch unabhängig und steuert außer der circadianen Melatoninproduktion auch noch andere circadiane Rhythmen wie zum Beispiel die Körpertemperatur und Nahrungsaufnahme. Man kann davon ausgehen, dass sie entwicklungsgeschichtlich älter ist als der SCN.

Säugetiere

Bei Säugetieren unterliegt das Pinealorgan der Steuerung durch den Nucleus suprachiasmaticus. 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

Die Chronobiologie erlangt für den Menschen immer größere Wichtigkeit, da der Lebensstil der Menschen in westlichen Kulturkreisen immer mehr von den Rahmenbedingungen, die die biologische Uhr vorgibt, abweicht. So nimmt beispielsweise der Anteil an Schichtarbeitern zu. Zudem verbringen Menschen immer mehr Zeit in Innenräumen, wo die Lichteinstrahlung selten höher als 500 Lux liegt. Im Freien beträgt die Lichtstärke 8.000 Lux bei bedecktem Himmel und bis zu 100.000 Lux an einem Sonnentag. Durch ein fortwährendes Lichtdefizit kann es zu Schlaf- und Essstörungen, Energielosigkeit bis hin zu schweren Depressionen kommen. In nördlichen Ländern (z. B. Norwegen), wo im Winter die Lichtausbeute pro Tag gegen Null tendieren kann, ist inzwischen die Lichttherapie gegen die sogenannte Winterdepression als wirksam anerkannt. Dagegen ist allerdings aus einer Studie bekannt, dass die Suizidrate in Grönland im Sommer sehr deutlich ansteigt.[2] Weiter sind häufiges Reisen über mehrere Zeitzonen (das heißt in Ost-West- oder West-Ost-Richtung) eine Irritierung des circadianen Systems und damit eine Belastung für den gesamten Körper (siehe Jetlag).

Alter und Schlafmitte (Mittelwert)

In der Bevölkerung können zwei Hauptkategorien von „Chronotypen“ unterschieden werden. Die einen gehen spät zu Bett und stehen entsprechend später auf – die „Eulen“ oder Langschläfer, während die „Lerchen“ oder Frühaufsteher früh zu Bett gehen und früher aufstehen. Da diese Unterschiede durch genetische Prädisposition zustande kommen, ist ein „Umerziehen“ so gut wie ausgeschlossen.[3] Das bedeutet, dass ein großer Teil der Bevölkerung ständig wider seine Anlagen lebt. Bei Jugendlichen, die während der Pubertät tendenziell eher „Eulen“ sind, konnte nachgewiesen werden, dass eine Verschiebung des Schulbeginns um eine Stunde – besonders im Winter – zu allgemeiner Leistungsverbesserung und besserem Gesundheitszustand führte.[4]

Chronobiologische Fachzeitschriften

Lehrstühle und Forschungsgruppen in der Chronobiologie

Außerdem wird inzwischen die Chronobiologie an den meisten Universitäten in verschiedenen Fachbereichen (beispielsweise Psychiatrie, Biologie, Anatomie und Psychologie) gelehrt.

Weblinks

Wiktionary Wiktionary: Chronobiologie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Weiterführende Literatur

  • Jürgen Aschoff, S. Daan, G.A. Groos (Hrsg.): Vertebrate Circadian Systems. Structure and Physiology, Springer Verlag, ISBN 3-540-11664-8 (englisch)
  • Frank Columbus, Kathryn Bailey: Frontiers in chronobiology research. Nova Science Publ., New York 2006, ISBN 1-59454-954-0
  • Albert J. und Franziska Dietziker: Wechselspiel der Lebensrhythmen. Wie Körper, Geist und Seele zusammenspielen. Institut für Chronobiologie ISBN 978-3-033-025295
  • Jan-Dirk Fauteck, Imre Kusztrich: Leben mit der inneren Uhr: Wie die Chronobiologie unsere Gesundheit, Wirtschaft und Gesellschaft beeinflusst. Econ 2006, ISBN 3-430-12670-3
  • Beitrag Fraunhofer IAO: Chronobiologische Arbeitsgestaltung
  • Gumther Hildebrandt, Maximilian Moser und Michael Lehofer: Chronobiologie und Chronomedizin. Hippokrates Verlag, 1998, ISBN 3-7773-1302-5
  • N. Koike, S. H. Yoo u. a.: Transcriptional Architecture and Chromatin Landscape of the Core Circadian Clock in Mammals. In: Science (New York, N.Y.). [elektronische Veröffentlichung vor dem Druck] August 2012, ISSN 1095-9203. doi:10.1126/science.1226339. PMID 22936566.
  • Björn Lemmer: Chronopharmakologie. Tagesrhythmen und Arzneimittelwirkung. Stuttgart 2004, ISBN 3-8047-1304-1
  • Gopalaiah Magadi, Kumar Vinod: Biological rhythms. Springer Berlin 2002, ISBN 3-540-42853-4
  • Ludger Rensing, Ulf Meyer-Grahle, Peter Ruoff: Biologische Uhren - Timing-Mechanismen in der Natur. Biologie in unserer Zeit 31(5), S. 305–311 (2001), ISSN 0045-205X
  • Dirk Rieger: Die Innere Uhr von Drosophila melanogaster - Synchronisation durch Licht und funktionelle Analyse der circadianen Schrittmacherneurone. Dissertation, Universität Regensburg 2007 (Volltext)
  • Till Roenneberg : Die Bedeutung der Chronobiologie für unser Leben. DuMont Buchverlag, 2010, ISBN 3-83219520-3
  • Peter Spork: Das Uhrwerk der Natur. Chronobiologie - Leben mit der Zeit. Rowohlt Taschenbuch Verlag, Reinbek 2004, ISBN 3-499-61665-3
  • Arthur T. Winfree: Biologische Uhren. Zeitstrukturen des Lebendigen. ISBN 3-922508-87-1
  • Jürgen Zulley, Barbara Knab: Unsere Innere Uhr. Herder, Freiburg 2003, ISBN 3-451-05365-9

Einzelnachweise

  1. ↑ Spork, 2004, Das Uhrwerk der Natur
  2. ↑ Grönland: Suizid im Sommer, abgerufen am 14. Juni 2010.
  3. ↑ Vanselow K, Vanselow JT, Westermark PO, Reischl S, Maier B, Korte T, Herrmann A, Herzel H, Schlosser A, Kramer A. (2006). Differential effects of PER2 phosphorylation: molecular basis for the human familial advanced sleep phase syndrome (FASPS).
  4. ↑ Spork, 2004, Das Uhrwerk der Natur; Spork, 2007, Das Schlafbuch
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