Lichtfarbe verrät Uhrzeit

Die Dämmerung ist eine wichtige Zeit für unsere innere Uhr. Denn der Lichtwechsel trägt dazu bei, diesen Taktgeber mit der Umwelt zu synchronisieren. Doch wie sich jetzt zeigt, spielt dafür nicht nur die wechselnde Helligkeit eine Rolle: Die innere Uhr reagiert auch auf die sich verändernde Lichtfärbung, wie Experimente mit Mäusen nahelegen. Nach Ansicht der Forscher könnte diese neue Erkenntnis über die Farbempfindlichkeit unserer inneren Uhr künftig dabei helfen, die Effekte von Jetlag und Schichtarbeit besser auszugleichen.

Nahezu alle Tiere und auch wir Menschen besitzen eine innere Uhr, die den Tagesrhythmus unserer Hormone, unseres Stoffwechsels und unzähliger anderer körperlicher Funktionen steuert. Damit diese Uhren ihre Funktion erfüllen können, müssen sie regelmäßig geeicht werden – sie müssen sich an den Tag-Nacht-Wechsel der Umwelt anpassen. "Der bei weitem bestuntersuchte Zeitgeber dafür ist die tägliche Veränderung der Helligkeit", erklären Lauren Walmsley und ihre Kollegen von der University of Manchester. Wenn die Photorezeptoren in unserer Netzhaut diesen zur Dämmerung eintretenden Lichtwechsel registrieren, senden sie ein Signal an die die Steuerzentrale unserer inneren Uhr, die sogenannten suprachiasmatischen Nuklei (SCN)  im Gehirn. Es ist bereits bekannt, dass alle Klassen von Photorezeptoren dieses Signal übermitteln können. Das aber bedeutet, dass auch die Zapfen beteiligt sind, die für die Farbwahrnehmung zuständigen Lichtsinneszellen. Ob aber die Lichtfarbe auch von der inneren Uhr ausgewertet wird, war bisher unklar.

Uhrenzentrale feuert bei Farbwechsel

Um diese Frage zu klären, haben Walmsley und ihre Kollegen zunächst ermittelt, ob und wie stark sich sich die Farbe des Tageslichts in der Dämmerung verändert. Wie sich zeigte, ist das tatsächlich der Fall: Je weiter die Sonne unter den Horizont sinkt, desto größer werden die kurzwelligen Blauanteile im Tageslicht. Die längere Passage des Lichts durch die Atmosphäre filtert vermehrt die grün-gelben Anteile heraus. "Überraschenderweise fanden wir heraus, dass diese Farbveränderung sogar besser die Position der Sonne in Bezug zum Horizont verriet als die Helligkeit", berichten die Forscher. Denn eine dichte Wolkendecke beeinflusst  beispielsweise zwar deutlich die Helligkeit, hat aber kaum Effekte auf die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts.

Die große Frage war nun, ob die innere Uhr von Säugetieren diese Farbinformation registriert und darauf reagiert. Um das herauszufinden, führten die Forscher Versuche mit einem Mäusestamm durch, bei dem die Signale der Zapfen besonders gut abzuleiten sind. Durch elektrophysiologische Messungen ermittelten sie, ob und wie stark die suprachiasmatischen Nuklei feuern, wenn die Zapfen der Netzhaut signalisieren, dass sich die spektrale Zusammensetzung des Lichts ändert. Und tatsächlich: Die Steuerzentrale der inneren Uhr reagierte immer dann besonders deutlich, wenn die Sehzellen ein geändertes Verhältnis von Blau zu Gelb im Licht meldeten – auch wenn sich die Gesamtintensität nicht änderte. "Dies ist der erste Beleg dafür, dass farbabhängige Signale die zirkadiane Uhr bei einem Säugetier beeinflussen", so Walmsley und ihre Kollegen.

Präziser synchronisiert

Aber welchen konkreten Einfluss hat diese Reaktion der inneren Uhr auf den Tagesrhythmus der Tiere? Um das feststellen zu können, veränderten die Forscher den normalen zwölf Stunden Hell-Dunkel-Rhythmus der Mäuse zu einem "Sommerrhythmus" mit 18 Stunden Licht und sechs Stunden Dunkelheit. Bei einem Teil der Tiere änderte sich beim neuen Tag-Nacht-Wechsel nur die Helligkeit, nicht aber die Lichtfarbe. Eine anderer Mäusegruppe wurde in einem Raum gehalten, in dem sich neben der Helligkeit auch die spektrale Zusammensetzung des Lichts änderte. Bei allen Mäusen maßen die Forscher mit implantierten Sensoren kontinuierlich die Körpertemperatur – ein Parameter, der sich im Takt mit dem Tagesrhythmus der inneren Uhr ändert und so verrät, wie gut die Tiere mit der Außenwelt synchronisiert sind.

Wie sich zeigte, passte sich die innere Uhr bei den Mäusen besser an die neuen Bedingungen an, die auch die typischen Farbwechsel des Lichts erlebten. Sie wurden kurz nach der Dämmerung aktiv, wie es für die Mäuse typisch ist und auch ihre Körpertemperatur passte sich präzise an den neuen Rhythmus an. Anders dagegen die Tiere, bei denen die Lichtfärbung immer gleich blieb: Ihre Temperatur reagierte weniger genau und sie waren teilweise schon vor Beginn der Dämmerung aktiv, wie die Forscher berichten. "Das belegt, dass die innere Uhr zwar auch mit Helligkeit allein funktioniert, aber die spektrale Zusammensetzung des Lichts trägt dazu bei, die physiologischen Rhythmen und das Verhalten präzise zu timen." Nach Ansicht der Forscher könnte dieser Einfluss der Lichtfarbe auch dazu beitragen, die innere Uhr des Menschen besser einzustellen. "Theoretisch könnten wir die Lichtfarbe nutzen, um beispielsweise bei Schichtarbeitern die innere Uhr zu manipulieren, oder bei Reisenden, die den Jetlag minimieren wollen", so die Forscher.

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