Chronobiologie

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 biologischen Rhythmen sind empirisch nachgewiesene Phänomene (und nicht mit der esoterischen Biorhythmuslehre zu verwechseln). Sie treten mit verschiedener Periodendauer auf und können als regelmäßige Anpassungen innerer Zustände an äußere Umstände verstanden werden.

Ein biologischer Rhythmus wird häufig endogen von einem schwingenden Teilsystem des Organismus erzeugt, der sogenannten inneren Uhr. Durch exogene (äußere) Einflüsse, die sogenannten biologischen Zeitgeber, wird seine Taktlänge an Veränderungen in der Umgebung angepasst, zum Beispiel an den zeitlich schwankenden Tag-Nacht-Zyklus. Licht und Temperatur sind wichtige Zeitgeber. Unter konstanten Laborbedingungen – wenn die Synchronisation der inneren Uhr durch Zeitgeber fehlt – schwingen viele natürliche Rhythmen in unveränderter Stärke (ungedämpft) weiter. Die Periodenlänge (τ) entspricht dann allerdings nur ungefähr der unter natürlichen Bedingungen.

Biologische Rhythmen

Bedeutung

Eine zeitliche Organisation ist für alle lebenden Organismen von Bedeutung, denen die Anpassung an zeitlich wechselnde Umgebungsbedingungen günstigere Überlebenschancen ermöglicht. Daher ist es nicht verwunderlich, dass bei allen bisher untersuchten Lebewesen rhythmische Abläufe gefunden werden konnten. Einige Beispiele sind Zellteilung, Herzschlag, Atmung, Schlaf, Winterruhe oder auch die Brunft (vergleichbar mit der Menstruation beim Menschen).

Zahlreiche Vorgänge in Organismen sind voneinander abhängig – viele sind nur dann wirkungsvoll, wenn zuvor andere stattgefunden haben, einige sind nur bei einem gemeinsamen Auftreten effektiv, andere stören sich und manche heben sich gegenseitig auf oder schließen sich als gleichzeitig gar aus. Es gibt Prozesse, die nur intern aufeinander abgestimmt werden müssen. Andere Vorgänge sollen auch den Bedingungen der Außenwelt angepasst werden.

Darüber hinaus können Abläufe auf regelmäßige äußere Schwankungen bezogen werden, um ein soziales Verhalten mit Organismen der gleichen Art zeitlich abgestimmt verlässlich zu organisieren. Oder auch, um solche einer anderen Art mit höherer Wahrscheinlichkeit anzutreffen – oder von diesen nicht getroffen werden zu können. So macht es einen Unterschied, wer tags oder nachts aktiv ist.

Für den Menschen wurde in den letzten Jahren die chronobiologische Forschung immer wichtiger, da unsere Lebensweise immer häufiger unserer ‚biologischen Uhr‘ zuwiderläuft. 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.

Einteilung nach der Periodendauer

Die Periodenlängen biologischer Rhythmen reichen von Millisekunden bis zu Jahren. Biologische Rhythmen können grob danach eingeteilt werden, ob eine Schwingung deutlich länger als ein Tag dauert (infradian), ungefähr so lang wie ein Tag (circadian) oder deutlich kürzer als ein Tag (ultradian).

Infradiane Rhythmen

Infradiane Rhythmen (von lat. infra ‚unter‘ und dies ‚Tag‘) haben eine Frequenz unter der eines Tages, eine Schwingung dauert also länger als 24 Stunden. Dazu gehören circannuale Rhythmen, also saisonale Rhythmen etwa im Jahreszyklus (ungefähr 365 Tage) wie die von Winterschlaf und Vogelzug, aber auch circalunare Rhythmen, die einem Mondphasenzyklus (ungefähr 29,5 Tage) folgen wie die von Palolozeiten, oder sogenannte semilunare Rhythmen (ungefähr 14 Tage), die assoziiert sind mit dem Gezeitenzyklus und nach dem Abstand zwischen zwei Springfluten (bei Voll- und Neumond) oder zwei Nipptiden (bei Halbmond) getaktet sind wie das Ablaichen der Ährenfische (Grunions) bei Springflut am Strand.

Circadiane Rhythmen

Circadiane Rhythmen (von lat. circa ‚ungefähr‘ und dies ‚Tag‘) haben etwa die Frequenz von Tagen im Wechsel mit nachts und dauern circa 24 Stunden, beispielsweise der Schlaf-/Wachrhythmus beim Menschen, oder auch die Blattbewegungen vieler Pflanzen. Circadiane Rhythmen sind bisher am besten erforscht. Nicht nur, weil Tageszyklen leichter als beispielsweise Jahreszyklen zu erkennen sind; circadian organisierte Rhythmen betreffen verschiedene für den Menschen bedeutungsvolle Phänomene seiner Natur.

Ultradiane Rhythmen

Ultradiane Rhythmen (von lat. ultra ‚über‘ und dies ‚Tag‘) haben eine Frequenz über der eines Tages; sie können also mehr als einmal täglich vorkommen, denn ihre Schwingung dauert kürzer als 24 Stunden. Beispiele hierfür sind der Wechsel von Aktivitäts- und Ruhephasen bei Feldmäusen, die wiederholte Abfolge von Schlafstadien des erwachsenen Menschen oder die pulsatile Freisetzung von Hormonen der Hirnanhangdrüse. Eine Sonderstellung nehmen hier die circatidalen Rhythmen (ungefähr 12,5 Stunden) ein, die dem wiederkehrenden Wechsel von Ebbe oder Flut folgen und für viele Bewohner der Brandungszone bestimmend sind. Strandlebende Winkerkrabben gehen zum Beispiel nur bei Ebbe auf Nahrungssuche, im Wasser lebende Krebse schwimmen dagegen nur bei Flut im Wasser umher.

Biologische Rhythmen bei verschiedenen Lebewesen

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 (NSC) 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 NSC.

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.

Chronobiologie beim Menschen

Chronotypen

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. 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.

Einfluss des modernen Lebensstils

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.

Auch Reisen über mehrere Zeitzonen hinweg (das heißt in Ost-West- oder West-Ost-Richtung) stören das circadiane System und belasten den gesamten Körper (siehe Jetlag).

Forschungsgeschichte

18. und 19. Jahrhundert

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

Der französische Gelehrte Jean Jacques d’Ortous de Mairan (1678–1771) berichtete 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 Carl von Linné (1707–1778), Georg Christoph Lichtenberg (1742–1799), Christoph Wilhelm Hufeland (1762–1836) und Charles Darwin (1809–1882).

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 zu finden.

20. Jahrhundert

Im 20. Jahrhundert begann die wissenschaftliche Erforschung dieser Phänomene. Zu den Pionieren der Chronobiologie zählen: Wilhelm Pfeffer, Erwin Bünning, Karl von Frisch, Jürgen Aschoff, Colin Pittendrigh, Gunther Hildebrandt, sowie ab den 1960er Jahren Arthur Winfree.

Das Spacelab 1 hatte 1983 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.

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).

Gegenwart

Seit den 1990er Jahren hat sich die Chronobiologie stark interdisziplinär entwickelt, sie bildet eine Schnittstelle zwischen Verhaltensbiologie, Physiologie, Genetik und Ökologie. Das Fachgebiet verwendet heute molekularbiologische und mathematische Methoden. Bei der Erforschung der Chronobiologie beim Menschen sind auch Psychologie und Medizin (insbesondere die Endokrinologie) beteiligt.

Bei der Forschung stehen folgende Fragen im Mittelpunkt:

• Welche Arten von biologischen Rhythmen gibt es?
• Ist der Rhythmus endogen? Wenn ja, wie wird er generiert? Wo ist der taktgebende Oszillator lokalisiert? Wie ist der Oszillator an physiologische Prozesse gekoppelt?
• Welches sind die Zeitgeber, also exogene Faktoren, die den inneren Rhythmus beeinflussen können?
• Wie können die Zeitgeber auf die biologische Uhr so wirken, dass es zu einer Angleichung an äußere Zyklen kommt, als Entrainment oder Masking?
• Welche Funktionen haben biologische Rhythmen?

Die Chronobiologie beschäftigt sich mit Pflanzen und Tieren inklusive des Menschen. Praktische Anwendung findet sie unter anderem bei der Vieh- und Pflanzenzucht, in der Sozialmedizin (zum Beispiel bei Fragen zur Schichtarbeit), in der Pharmakologie und Psychiatrie. Von besonderem Interesse sind die Erkenntnisse der Chronobiologie in den Bereichen Schlafmedizin, Sportmedizin sowie Flug- und Raumfahrtmedizin. Chronobiologie wird an den meisten Universitäten in verschiedenen Fachbereichen (beispielsweise Psychiatrie, Biologie, Anatomie und Psychologie) gelehrt.

Siehe auch

• Serotonin (Abschnitt Schlaf-Wach-Rhythmus)

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 978-3-033-02529-5.
• 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
• Gunther Hildebrandt, Maximilian Moser und Michael Lehofer: Chronobiologie und Chronomedizin. Hippokrates Verlag, 1998, ISBN 3-7773-1302-5.
• Nobuya Koike, Seung-Hee Yoo, Hung-Chung Huang, Vivek Kumar, Choogon Lee, Tae-Kyung Kim, Joseph S. Takahashi: Transcriptional architecture and chromatin landscape of the core circadian clock in mammals. In: Science (New York, N.Y.). 338, Nr. 6105, 19. Oktober 2012, ISSN 1095-9203, S. 349–354, doi:10.1126/science.1226339..
• 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 3-8321-9520-3.
• 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.

Fachzeitschriften

• Journal of Biological Rhythms
• Chronobiology International

Weblinks

Wiktionary: Chronobiologie – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Lehrstühle und Forschungsgruppen

• Institut für Medizinische Psychologie, Zentrum für Chronobiologie, Till Roenneberg, Ludwig-Maximilians-Universität München
• Centre for Chronobiology, Universitäre Psychiatrische Kliniken, Basel, Schweiz
• Charité – Universitätsmedizin Berlin, Forschungsgruppe Molekulare Grundlagen der Chronobiologie
• LS Neurobiologie & Genetik, Charlotte Förster – Uni Würzburg
• Institut für Pharmakologie & Toxikologie Mannheim, Björn Lemmer, Universität Heidelberg
• Groningen Center of Behavioural and Cognitive Neuroscience (BCN), Rijksuniversiteit Groningen, Niederlande
• Human Research Institut für Gesundheitstechnologie und Präventionsforschung früher Joanneum Research, Weiz, Österreich