Fast alle lebenden Organismen folgen biologischen Rhythmen, die durch eine innere Uhr gesteuert werden, ein Phänomen, das bereits Hippokrates in der Antike beschäftigte. Aber warum gibt es denn diesen Zeitmesser überhaupt? William Schwartz, Neurologieprofessor an der University of Massachusetts, liefert dazu folgende Erklärung: «Alle biologischen Uhren sind Anpassungen an eine sich drehende Welt.» Einer der wichtigsten Zeitgeber ist dabei sicherlich der Wechsel zwischen Tag und Nacht, ausserdem die Existenz der Jahreszeiten sowie auch die eigenen Rhythmen des Mondes, der beispielsweise alle 12,5 Stunden für die Gezeiten des Meeres sorgt.
Überlebensnotwendige innere Uhr
Die im Rhythmus von 24 Stunden ablaufenden Stoffwechselvorgänge bei Mensch und Tier werden von Wissenschaftlern als «circadiane Uhr» bezeichnet. Sie läuft synchron mit dem Tag-Nacht-Wechsel und steuert beispielsweise die über den Tag verteilten Schlaf- und Wachphasen. Für das Überleben vieler Organismen ist es nun von entscheidender Bedeutung, sich bereits im Vorfeld auf äussere Veränderungen einzustellen. So brauchen Winterschläfer wie die Igel eine innere Uhr, die ihnen schon im Herbst sagt, dass der Winter naht und sie sich deshalb ein Fettpolster anfressen und ein geeignetes Schlafquartier suchen müssen. Aber auch für das Zusammenleben selbst benötigen Lebewesen eine Uhr. Und das Ausschwärmen vieler Insekten wird beispielsweise ebenfalls durch den inneren Zeitgeber koordiniert. Inzwischen konnten Wissenschaftler die Eigenschaften dieses Chronometers herausfinden. Sie stellten fest, dass biologische Rhythmen sogar ohne äussere Zeitgeber weiterlaufen. Ausserdem wird die Geschwindigkeit der inneren Uhr meistens nicht von Kälte oder Wärme beeinflusst. Trotzdem muss und kann sich der Zeitgeber auch ab und zu veränderten äusseren Bedingungen wie den Tag-Nacht-Wechsel, sozialen Einflüssen oder Temperaturzyklen anpassen.
Diese Anpassungen gelingen jedoch immer nur schrittweise. Tritt beispielsweise eine Sonnenfinsternis ein, die den Tag zumindest kurzzeitig zur Nacht werden lässt, wird die biologische Uhr von Tieren davon schlichtweg überrollt. So sehr, dass das Tier dann für einige Stunden regelrecht aus dem Gleichgewicht kommt. Die innere Uhr ist zudem für das pünktliche Eintreten bestimmter Ereignisse zuständig. Das heisst, sie sorgt auch dafür, dass der innere Rhythmus mit Geschehnissen in der Umwelt synchron abläuft – zum Beispiel das Verhalten von Meerestieren bei Ebbe und Flut.
Beispiele für uhrgesteuertes Verhalten von Tieren
• Tiere, die sich von nachtaktiver Beute ernähren, benötigen eine innere Uhr, die sie nachts für ihren Beutezug aufweckt. • Jahreszeitlich bedingte Wanderung von Zugvögeln und anderen Tieren: Ist das Tier erst einmal unterwegs, tragen viele Faktoren dazu bei, dass es den richtigen Weg findet. Fische und auch Tauben werden unter anderem auch von bestimmten Duftstoffen zu ihrem Ziel geleitet, aber auch das Magnetfeld der Erde spielt dabei eine entscheidende Rolle. • Tiere der Gezeitenzone müssen sich rechtzeitig vor Beginn der Ebbe in tieferes Wasser zurückziehen, um nicht auf dem Trockenen zu verenden. • Am Strand lebende Winkerkrabben gehen nur bei Ebbe auf Nahrungssuche, im Wasser lebende Krebse schwimmen dagegen nur bei Flut. • Ährenfische laichen nur bei einer Springflut am Strand ab. • Auch die Mauser bei Vögeln wird von einer inneren Uhr gesteuert. • Die Taufliege (Drosophila melanogaster) hat eine starke circadiane Rhythmik beim Schlüpfen der Fliegen aus den Puppen. Das heisst auch, die Fliegen schlüpfen nicht willkürlich über den Tag verteilt, sondern immer zur selben Zeit. • Bekommen Tiere immer zur selben Zeit etwas zu fressen, entwickeln sie eine innere Uhr, die sie täglich genau um diese Zeit mit Magenknurren an die Mahlzeit erinnert. • Geburten finden im Tierreich meist nachts statt. Hier ist ebenfalls eine innere Uhr im Spiel, denn nachts ist es in der Natur sicherer als tagsüber. • Auch Tiere können unter einem Jetlag leiden. So benötigen weit gereiste Rennpferde erst eine gewisse Zeit, um ihre innere Uhr und somit ihre Leistung der verschobenen Zeitzone anzupassen. • Bei der Zeitumstellung von Sommer- auf Winterzeit und umgekehrt müssen sich selbst unsere Haustiere erst an den um eine Stunde verschobenen Tagesablauf gewöhnen.
Genetische Steuerung
Nachgewiesen ist ausserdem eine genetische Steuerung der Uhr. Auf der Suche nach der genauen Lokalisation dieses Chronometers stellte Karl von Frisch 1911 fest, dass die Zirbeldrüse eine entscheidende Rolle bei der Steuerung biologischer Rhythmen spielt. Und Michael Menaker von der Princeton University entdeckte 1968 Hinweise auf Photorezeptoren im Gehirn. Anhand von Untersuchungen an Spatzen fand Menaker heraus, dass das von der Zirbeldrüse (Epiphyse) produzierte Schlafhormon Melatonin im Tagesverlauf zu- und abnimmt. Gab er den Vögeln zusätzliches Melatonin, kamen auch deren biologische Rhythmen aus dem Takt. Entfernte er die Zirbeldrüse, verloren die Spatzen gänzlich ihre innere Uhr. Bei Vögeln und, wie sich später zeigte, auch bei Reptilien sitzt die innere Uhr also in der Epiphyse.
Doch wie sieht es bei Säugetieren aus? Dieser Frage ging der amerikanische Physiologe Curt Richter um 1970 nach. Und er fand im Hypothalamus hinter der Nasenwurzel unmittelbar unterhalb der Kreuzung der Sehnerven ein paariges Kerngebiet (Ansammlung von Nervenzellkörpern), welches «suprachiasmatischer Nucleus» (SCN) genannt wird. In Experimenten stellte sich heraus, dass der rund 20 000 Nervenzellen umfassende Kern tatsächlich der Hauptsitz der inneren Uhr bei Säugetieren ist. Und inzwischen konnte durch Messen der Menge an Boten-RNA, die die einzelnen Zellen produzieren, sogar nachgewiesen werden, dass in fast jeder einzelnen Körperzelle eine innere Uhr sitzt, die zellinterne Vorgänge steuert. Erik Herzog von der Universität in Washington erklärt die Synchronisation der diversen körpereigenen Uhren folgendermassen: «Die Nebenuhren im Gehirn und in den Körperzellen erhalten täglich synchronisierende Signale vom ‹Master›, der Hauptuhr im SCN. Doch wenn die Nebenuhren ausser Tritt geraten, brauchen sie mehrere Tage, um wieder richtig zu ticken.»
Gesteuert werden die biologischen Uhren durch Lichtreize von aussen, durch Gene, Hormone sowie Proteine. Aber auch die ansteigenden und absinkenden Konzentrationen diverser Stoffe in den Zellen bringen die Uhren in Gang und sorgen für einen synchronen Rhythmus. Ausschlaggebend ist hier zunächst ein Lichtimpuls. Er wird von speziellen Sinneszellen in der Netzhaut (intrinsisch photosensitiven Ganglienzellen) direkt ans Gehirn weitergeleitet. Dieser Impuls bringt dann die Uhr in den SCN-Zellen durch Ausschüttung von Proteinen zum Ticken. Fällt beispielsweise morgens Sonnenlicht auf die Lichtrezeptoren eines Säugetieres, signalisiert das SCN dem Gehirn, die Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin zu stoppen. Für die Körperzellen heisst das, dass nun der Tag beginnt. Wird abends hingegen das Licht weniger, bewirkt dann das SCN die Ausschüttung hoher Mengen Melatonin, was wiederum dem Körper anzeigt, sich auf Schlaf einzustellen.
So einfach und selbstverständlich die Funktionen der inneren Uhr von aussen betrachtet auch erscheinen mögen, stecken doch hochkomplexe Systeme dahinter, die lebenswichtige biologische Rhythmen steuern und in Gang bringen.
