Die innere Uhr

Inhaltsverzeichnis

1.) Einführung

2.) Die Chronobiologie

3.) Die Entdeckung der Inneren Uhr
3.1) Das Höhlen-Experiment von Michel Siffre (1962)
3.2) Selbstversuch – auf der Suche nach der eigenen inneren Uhr

4.) Der Sitz der Inneren Uhr

5.) Molekulare Vorgänge der inneren Uhr

6.) Biologische Rhythmen
6.1) Biologische Rhythmik bei Säugetieren
6.2) Biologische Rhythmik beim Menschen
6.2.1) Folgen aus dem Leben entgegen des circadianen Rhythmus
6.3) Biologische Rhythmik bei Eukaryoten
6.4) Biologische Rhythmik bei Pflanzen

7.) Existenz mehrerer biologischer Uhren

8.) Resultierende Eigenschaften der inneren Uhr

9.) Schlussbemerkung

10.) Anhang

11.) Quellenangaben

1.) Einführung

Unser Leben wird, durch die Eigenrotation der Erde, an 365 Tagen im Jahr vom Takt der Zeit bestimmt.

Oft verfolgen wir dabei Tag für Tag nahezu einen einheitlichen Rhythmus, in dem wir morgens zu einer bestimmten Zeit aufstehen, unser Frühstück einnehmen, arbeiten gehen bis pünktlich zum Mittag der Hunger wieder aufkommt. Nachmittags kämpfen wir oft gegen einen Leistungstief und legen uns abends zu einer mehr oder weniger festgelegten Zeit wieder schlafen.

Doch nicht nur unser Tagesablauf verläuft nach einem bestimmten Rhythmus. Unbemerkt laufen ebenfalls in den Körpern aller lebenden Wesen Tag täglich zahlreiche Rhythmen ab.

Gesteuert werden diese von einer Art biologischem Zeitmesser, welcher dem Lebewesen hilft, sich auf täglich wiederkehrende Phänomene einzustellen.

Chronobiologen sind bereits seit Jahrhunderten dem auf den Fersen, was „uns ticken lässt“. Und erst in unserem Zeitalter der modernen Genetik, ist es ihnen gelungen, einen Einblick in den Mechanismus des biologischen Uhrwerkes werfen zu können.

Im Folgenden der Hausarbeit wird das Augenmerk auf eine spezielle Uhr gerichtet. Die innere Uhr.

2.) Die Chronobiologie

Die Wissenschaft von der biologischen Rhythmik nennt sich Chronobiologie (gr. „Chrónos“= „Zeit“; Biologie = Lehre von der belebten Natur).

Diese wurde erst ca. im Jahr 1945 begründet und beschäftigt sich insbesondere mit vier Kernfragen:

1.) Wo ist die innere Uhr lokalisiert?
2.) Wie funktioniert diese?
3.) Wie und durch welche exogenen Zeitgeber wird die innere Uhr synchronisiert?
4.) Welche Auswirkungen ergeben sich aus einem Leben gegen die eigene innere Uhr?

Um diese Kernfragen zu beantworten, werden die zeitlichen Organisationen in Verhalten sowie in der Physiologie von Lebewesen untersucht.

Je nach Periodenlänge unterscheidet man in der Chronobiologie zwischen vier Kategorien:

- Infradiane Rhythmen: Diese Rhythmen dauern länger als 24 Stunden an.
- So wie z.B Jahresrhythmen wie der Vogelzug
- Circatidale Rhythmen: Diese beschreiben die 12,5 Stunden wiederkehrenden Rhythmen z.B von Ebbe oder Flut. Diese Rhythmen sind wichtig für viele Bewohner der Brandungszone.
- Ultradiane Rhythmen: Rhythmen, welche kürzer als 24 Stunden sind und somit mehrmals über einen Tag verteilt abfolgen. Z.b Fresszyklen bei Feldmäusen oder Freisetzung von bestimmten Hormonen.
- Circadiane Rhythmen: Diese Rhythmen sind ca. 24 Stunden lang.
- Z.b der Schlaf-und Wachzyklus beim Mensch oder Blattbewegungen bei Pflanzen.^[1]

Da die circadianen Rhythmen am weitesten erforscht sind, werde ich mich in der weiteren Ausführung meiner Hausarbeit größtenteils auch nur auf diese beziehen.

3.) Die Entdeckung der Inneren Uhr

Die ersten Rückschlüsse für die Existenz von biologischen Rhythmen sind bis in die Antike zurückzuführen. Damals beobachtete bereits Hippokrates, dass Asthmasymptome einem 24- stündigem Rhythmus zu unterlegen schienen. Ein anderer griechischer Mediziner stellte damals fest, dass der Puls seiner Patienten je nach Tageszeit stieg oder fiel. (Vgl. „Selbstversuch“ Abb. 2)

Im 18. Jahrhundert verdeutlichte der frz. Astronom Jean J. d’Ortous de Mairan tagesrhythmische Lebensvorgänge anhand der Blattbewegungen der Mimose im Tagesverlauf. So hat dieser bei Experimenten festgestellt, dass die Blätter auch unter andauernder Dunkelheit tagesrhythmisch weiter schwingen. (siehe Abb. 1)

Eine intensive wissenschaftliche Erforschung der biologischen oder auch circadianen Rhythmen erfolgte jedoch erst im 20. Jahrhundert.

Dabei machte man ebenfalls die entscheidende Beobachtung: Viele natürliche Rhythmen schwingen auch unter konstanten Laborbedingungen in gleichbleibender Stärke weiter. (siehe Abb. 1)

Diese Periodenlänge (τ) ist jedoch nur jeweils circadian (von „circa“ = ungefähr; „dies“ = Tag) mit der unter natürlichen Umständen vergleichbar. Die Synchronisation dieser biologischen Rhythmen erfolgt durch eine Art Zeitgeber, wie das Licht oder die Temperatur.^[2][3][4]

3.1) Das Höhlen-Experiment von Michel Siffre (1962)

Im Jahr 1962 wagte der frz. Geologe Michel Siffre einen Selbstversuch. Er lebte für 8 Wochen ca. 100 Meter tief in einer unterirdischen Höhle in Texas. Sein einziger Kontakt zur Außenwelt erfolgte mittels eines Telefones, mit welchem er bekannt gab, wenn er sich schlafen legte und wieder aufwachte. Siffre war somit völlig vom natürlichen Tag-und- Nacht-Rhythmus isoliert. So wurde ein genaues Zeitprotokoll seiner inneren Uhr erstellt, wodurch sich die Erkenntnis ergab, dass Siffre’s innere Uhr nicht mit dem Tagesrhythmus von draußen identisch war. Siffre verlor jegliches Zeitgefühl der Außenwelt und so glaubte er, dass erst 6 Wochen vorbeigegangen waren, wobei tatsächlich bereits 8 Wochen rum waren und der Versuch somit beendet war.

Tatsächlich liegt somit der circadiane Rhythmus bei etwas über 24 Stunden. Das Sonnenlicht dient zur Synchronisation und hilft uns dabei somit, richtig „getaktet“ zu sein, damit sich unser Rhythmus nicht automatisch nach hinten verschiebt.^[5]

3.2) Selbstversuch – auf der Suche nach der eigenen inneren Uhr (Vgl. Abb.2)

Auch ich habe mich auf die Suche nach einer inneren Uhr in meinem Körper begeben.

Um zu schauen, wie es in der Antike bereits beobachtet wurde, ob unser Blutdruck tatsächlich einem bestimmten Rhythmus folgt, habe ich 7 Tage lang dreimal am Tag (Morgens 7.00 Uhr, Mittags 14.00 Uhr, Abends 21.00 Uhr) meinen Blutdruck gemessen.

Im Abstand von 5 Minuten habe ich zu jeder Tageszeit drei Messungen durchgeführt und den Mittelwert niedergeschrieben.

In einem Diagramm dargestellt, lässt sich feststellen, dass die gesamten Blutdruckwerte, stets einem bestimmten Rhythmus folgen. (siehe Abbildung 2)

Morgens ist der Wert stets am höchsten, flacht gegen Mittag ab und ist abends, im Vergleich zu den anderen beiden Werten, am niedrigsten.

Selbstverständlich spielen auch andere exogene Faktoren, wie Stress, Sportliche Aktivitäten, Gesundheitszustand, welche unsere Tagesform beeinflussen, für den Blutdruck eine Rolle.

4.) Der Sitz der Inneren Uhr

Die ersten Indizien für den Sitz der biologischen Uhr, bei Vögeln und Reptilien, wurden 1911 durch Karl von Frisch nachgewiesen.

So stellte dieser fest, dass bestimmte Fische, welche in der Lage sind im Dunkeln ihre Farbe zu wechseln, dies immer noch taten, wenn sie geblendet wurden.

Nach der Entfernung ihrer Zirbeldrüse, blieb jedoch jede Reaktion bei Einbruch der Dunkelheit aus.

Einen weiteren entscheidenden Hinweis für den Sitz der Inneren Uhr, erforschte Michael Menaker, von der Princeton University.

Anhand von Versuchen mit Vögeln, stellte dieser in den 1960er Jahren fest, dass der Hormonspiegel von Melatonin im Tagesverlauf schwankt. Im Vogelhirn wird dieses Melatonin nahe dem Hypothalamus, in der Zirbeldrüse, produziert.

Nach der Entfernung der Zirbeldrüse, verloren die Versuchsvögel jedoch ihre biologische Rhythmik. Nach der erneuten Einpflanzung hingegen, wurde ihre Rhythmik wiederaufgenommen.

Daraus ließ sich schließen, dass die Zirbeldrüse offensichtlich von großer Bedeutung für die Steuerung der biologischen Rhythmen ist.

Später stellte man fest, dass der Hauptsitz der inneren Uhr, im suprachiasmatischen Nukleus (kurz: SCN) liegt, ein Nervenknäuel, welcher bei einem Menschen der Größe einer Erbse entspricht. Dieser ist hinter dem Nasenrücken über der Sehnervkreuzung lokalisiert (siehe Abb. 3). In diesem SCN befinden sich Oszillatoren, welche sich den äußeren (exogenen) Zeitgebern anpassen.

Außerdem müssen neben der Netzhaut des Auges noch andere Lichtsensoren im Gehirn existieren.^[6]

[...]

^[1] http://de.wikipedia.org/wiki/Chronobiologie

^[2] http://animal-behaviour.philadb.com/?site=news&nid=117

^[3] http://de.wikipedia.org/wiki/Circadiane_Rhythmik

^[4] http://www.wissenschaft-online.de/abo/lexikon/biok/1573

^[5] http://www.nzzfolio.ch/www/d80bd71b-b264-4db4-afd0-277884b93470/showarticle/ee96683d-f206-4265-9871-932b2b65dc2f.aspx

^[6] http://www.g-o.de/dossier-detail-88-8.html