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Forscher entschlüsseln den Biorhythmus des Menschen

Seit wenigen Jahrzehnten ist bekannt, dass der Mensch eine innere Uhr besitzt: In den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts ließ der deutsche Psychologe Jürgen Aschoff Testpersonen freiwillig über vier Wochen in einem Bunker ohne Tageslicht verbringen. Obwohl es in den unterirdischen Wohnräumen keinen Hinweis auf die Tageszeit gab, stellte sich bei den Menschen ein fast normaler Tagesrhythmus ein. Im Durchschnitt war der Tag der Probanden jedoch 25 Stunden lang – bei manchem kürzer, bei anderen länger. Für Forscher waren die Versuche ein deutlicher Hinweis auf Chronometer im Körper. Darüber hinaus erkannte man, dass der innere Taktgeber ohne Tageslicht etwas langsamer läuft. Mittlerweile kennen Forscher auch den genauen Ort der zentralen inneren Uhr im Gehirn und sogar der molekularer Aufbau des Zeitmessers ist zu großen Teilen entschlüsselt.

Der Wecker, die Armbanduhr, die Küchenuhr, die Bahnhofsuhr, die Steckuhr und der Taktgeber im Rechner – als Bewohner eines Planeten mit einem regelmäßigen Wechsel von Tag und Nacht kennen wir naturgemäß den Vorteil von Zeitmessern. Uhrmacher haben für jede Lebenssituation den passenden Chronometer geschaffen – es gibt kaum noch einen Bereich in unserem Leben, der nicht exakt getaktet und damit zumindest indirekt an die Drehbewegung der Erde gekoppelt wurde.

Der Natur selbst erging es nicht viel anders: Seit vor mehr als einer Milliarde Jahren einzellige Organismen den inneren Taktgeber erfanden, hat die Evolution aus dem nützlichen Einfall geradezu eine Inflation unterschiedlichster Uhren hervorgebracht. Forscher haben bei Säugetieren Abkömmlinge der ersten Uhr in fast jedem Winkel des Organismus ausgemacht. Im April berichteten etwa die Molekularbiologen Charles Weitz und Kai-Florian Storch von der amerikanischen Harvard-Universität, dass sie große Teile der inneren Taktgeber von Herz, Leber und Lunge dingfest gemacht hätten. Eine Genanalyse zeigte den beiden Forschern, dass die Evolution bei inneren Uhren nicht mit Kreativität gegeizt hat. So merkt man allen Taktgebern in den verschiedenen Organen zwar noch deutlich an, dass sie einen gemeinsamen Ursprung haben. Aber als hätten Ingenieure die Erfindung über Äonen Stück für Stück abgewandelt, besitzen die Uhren trotz ähnlicher Aufgaben nur noch wenige gemeinsame Bestandteile.

In einer Fleißarbeit haben Weitz und Storch auftretende Rhythmen der Genaktivität in den Organen von Mäusen untersucht. Fast ein Drittel aller Mäusegene haben sie dazu mit modernsten Gensonden in Augenschein genommen. Dabei fanden sie in jedem Organ etwa fünfhundert Gene, die im Takt der Tage mitschwingen. Die Gene und das von ihnen mitdirigierte Spiel der Zelleiweiße nimmt dabei in allen Organen ähnliche Funktionen wahr, aber jede Uhr enthält zu mehr als neunzig Prozent ganz individuelle Taktgene.

Dennoch laufen alle Chronometer im Körper synchron. Ähnlich wie die genaue Zeit in Deutschland zentral von der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig ausgegeben wird, scheint es auch im Körper eine Art Zeitzentrale zu geben. Dafür in Frage kommt eine reiskorngroße Struktur im Gehirn. Sie befindet sich etwa auf der Höhe der Nasenwurzel hinter den Augen über der x-förmigen Kreuzung der beiden Sehnerven. Forscher nennen sie „suprachiasmatischen Nucleus“, was so viel wie „Kern über dem Kreuz“ bedeutet. Eingeweihte reden auch kurz vom „SCN“.

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Vom SCN führen Nervenstränge zur Zirbeldrüse, wo unter anderem das Schlafhormon „Melatonin“ gebildet wird. Entsprechend dirigiert der „Kern über dem Kreuz“ den Schlafrhythmus und in der Folge die vielfältige Biorhythmen des Körpers. Wenn man den Morgen als Ausgangspunkt nimmt, beginnt der SCN den Reigen, indem er gegen sechs Uhr in der Frühe den Melatoninspiegel im Blut senkt. In der Folge steigen Blutdruck, Puls und Körpertemperatur. Die Reaktionsfähigkeit nimmt zu und gegen sieben Uhr wird der Körper mit aktivierenden Sexualhormonen überschwemmt. Gegen Mittag ist der Körper optimal mit Sauerstoff versorgt, da um diese Zeit die Konzentration an roten Blutkörperchen am höchsten ist.

Am Nachmittag ist die Atemfrequenz am höchsten, die Griffkraft am stärksten und die Reflexe sind schneller als sonst. Um 16 Uhr erreichen Körpertemperatur, Blutdruck und Puls ihren höchsten Stand. Gegen 18 Uhr scheint der Körper aber nach der Arbeit des Tages mit der Regeneration beginnen zu wollen – zumindest ist um diese Zeit der Harnfluss am stärksten. Zur Nacht hin steigt allmählich die Schmerzempfindlichkeit und etwa zwei Stunden bevor wir einschlafen gibt der SCN der Zirbeldrüse den Befehl, den Melatoninspiegel wieder anzuheben.

Es ist so gut wie ausgeschlossen sich von diesen Rhythmen abzukoppeln. Wer es dennoch versucht – etwa als Nachtarbeiter -, wird in der Regel häufiger krank und ist psychisch weniger belastbar. Obwohl dies schon lange bekannt ist, konnten Forscher bis vor wenigen Wochen nur spekulieren, wie es dem Körper gelingt, die inneren Rhythmen fest an den Tag-Nachtwechsel zu koppeln.

Bis vor wenigen Jahrzehnten gingen einige Forscher sogar noch davon aus, dass es nicht der Wechsel von Hell und Dunkel sein könnte, der den Gang der inneren Taktgeber bestimmt. Man hatte nämlich beobachtet, dass die innere Uhr von Blinden weitgehend synchron mit der aller anderen Menschen läuft. In den sechziger Jahren machte man jedoch eine überraschende Entdeckung: Blinde Menschen, die aus kosmetischen Gründen für ihre scheinbar funktionslos gewordenen Augen Glaskörper erhielten, verloren ihren gewohnten Tagesrhythmus. Sie behielten zwar weitgehend einen normalen Wechsel von Schlaf- und Wachphasen bei, insgesamt wurde ihr Tag meist jedoch etwas länger als 24 Stunden. Ihre innere Uhr war „freilaufend“, wie Chronobiologen sagen: Sie lief jeden Tag um einen bestimmten Minutenbetrag falsch ohne auf die richtige Zeit zurückgestellt zu werden.

Der Hirnforscher David Berson von der amerikanischen Brown-Universität in Providence entdeckte für diese Beobachtung den physiologischen Grund: Im Februar diesen Jahres berichtete er im Magazin „Science“, dass sich neben den seit fast 150 Jahren bekannten Zapfen- und Stäbchenzellen im Auge, die für das Schwarzweiß- und Farbsehen verantwortlich sind, eine dritte Art von Sehzellen befindet. Die Zellen entdeckte er, als er mit sorgfältigen Analysen den Weg von Nervensträngen vom SCN zurück zur Netzhaut der Augen verfolgte. Die Zellen sehen aus wie das weit verzweigte Blätterdach eines alten Baumes und verändern ihre Aktivität mit Auf- und Untergang der Sonne. Damit sind sie optimal geeignet, um den Takt des suprachiasmatischen Nukleus nach dem Lauf der Sonne auszurichten.

Der SCN ist jedoch keine Sonnenuhr – der Kern braucht die Sonne nur, um den eigenen Taktgeber zu eichen. Derzeit arbeiten Forscher daran, den Mechanismus dieses Taktgebers im Detail zu entschlüsseln. Offenbar funktioniert er, indem sich Gene und Proteine gegenseitig immer wieder aktivieren und deaktivieren. Zwischen der Aktivierung und Deaktivierung vergeht jeweils etwa ein halber Tag, so dass in den Zellen des SCN bestimmte Proteine kommen und gehen wie Ebbe und Flut: Einige Proteine sind am Tage aktiv, andere in der Nacht. Ohne Einfluss der Sonne verlangsamt sich der Wechsel jedoch etwas, in der Regel um eine Stunde pro Tag. Im letzten Jahr fand Urs Albrecht vom Hannoveraner Max-Planck-Institut zusammen mit amerikanischen Kollegen aus Huston heraus, wie die Gene im SCN ihren Rhythmus mit dem Gang der Sonne abgleichen. Zwei Varianten eines Gens mit dem englischen Namen „Period“ spielen dabei die Hauptrolle. So sorgt etwa die Genvariante „Period1“, dass die innere Uhr ein wenig nach vorn gestellt wird, während die Variante „Period2“ die Uhr zurückstellt. Signalstoffe im Blut und die Schwankungen des Stoffwechseln sorgen dann dafür, dass auch die anderen Uhren im Körper dem vom SCN vorgegebenen Rhythmus folgen.

Andreas Wawrzinek
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