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CHRONOBIOLOGIE: Wir richten uns nach der inneren Uhr

Drei US-Forscher haben den Medizin-Nobelpreis erhalten, weil sie zeigten, dass die innere Uhr genetisch verankert ist. Das lässt sich besonders gut bei Zugvögeln zeigen.
Heini Hofmann
Chronobiologie: Programmierter Abflug der Zugvögel. (Bild: Keystone)

Chronobiologie: Programmierter Abflug der Zugvögel. (Bild: Keystone)

Drei US-Wissenschafter haben Mechanismen zum Tag-Nacht-Rhythmus ergründet und gelernt, unsere innere Uhr zu lesen: vergangene Woche wurden sie deshalb mit dem «Nobelpreis für Medizin oder Physiologie» geehrt: Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young erbrachten den Nachweis, dass die innere Uhr genetisch verankert ist. Es gelang ihnen, das als zuständig vermutete Gen zu isolieren. Und sie konnten zeigen, wie diese molekularen Bausteine das biologische Uhrwerk steuern und auch für die Hormonausschüttungen verantwortlich sind.

Das ganze Leben ist chronometriert, und alle Lebewesen, ob Mensch oder Einzeller, richten sich in ihrer Tagesrhythmik nach inneren, biologischen Uhren. Diese molekularen Schrittmacher steuern – der Erdrotation gehorchend – einen Grossteil der biologischen Funktionen in einer Periode von ungefähr 24 Stunden. Der zirkadiane Rhythmus wird gesteuert durch Lichtwahrnehmung über noch nicht schlüssig erforschte Rezeptoren. Diese innere Uhr funktioniert wie ein Schwingkreis, der den Tagesrhythmus regelt. Sie hilft uns zum Beispiel beim Einschlafen oder Erwachen, kann uns aber auch irritieren bei Reisen in andere Zeitzonen durch den Jetlag. Die Missachtung des Biorhythmus kann sogar zu chronischen Erkrankungen von Schichtarbeitern führen.

Verdoppelung des Eigengewichts

Wie eine innere Uhr funktioniert, zeigt die Forschung am Beispiel der Zugvögel, die sich nicht nach dem Wetter richten, sondern am saisonalen Verlauf der Tageslänge orientieren. Werden die Tage im Herbst kürzer, beginnen sie mit den Vorbereitungen für den Distanzflug durch den Aufbau der Fettreserven – oft bis zur Verdoppelung des Eigengewichts.

Selbst der Stoffwechsel wird während der Zugzeit derart umgestellt, dass die Vögel während des Langdistanzfluges bis zu 95 Prozent der notwendigen Betriebsenergie aus dem Körperfett beziehen können. Aber nicht nur die Physiologie, auch das Verhalten wird von der inneren Uhr umgepolt. Vor dem Zug werden viele sonst rein tagaktive Vögel plötzlich nachtaktiv. Selbst gefangen gehaltene Zugvögel zeigen diese nächtliche Unrast. Wobei diese Aktivitäten auf die angeborene Zugrichtung ausgerichtet sind und zudem bei Langstreckenfliegern ausgeprägter ausfallen als bei Kurzstreckenziehern. Dies deutet auf ein vererbtes Richtungs- und Distanzgefühl. Als man Ende der 50er-Jahre die biologischen Uhren bei Fliegen und Menschen entdeckte, ging man davon aus, dass ein solcher Zeitgeber nur im Gehirn angesiedelt sein könne. Doch nachdem sich solch zirkadianen Rhythmen auch nachweisen liessen in Bakterien, Pilzen und Pflanzen, die über keine zentralen Steuerungsmechanismen verfügen, war klar, dass auch Körperzellen über eigene biologische Uhren verfügen.

Also gibt es auch in Organgeweben und Einzelzellen Taktgeber. Autonome Biozeitgeber, welche unabhängig von einer zentralen Schaltstelle funktionieren. Und dennoch scheint es einen Zusammenhang zu geben, indem die dezentralen Uhren der Wirbeltiere mit der Zirbeldrüse im Gehirn zusammenarbeiten, welche durch Ausschüttung des Schlafhormons Melatonin den Tagesrhythmus steuert.

Intensiv wurde nach dem verantwortlichen Lichtempfänger tierischer Biouhren geforscht. Nachdem feststand, dass die beiden Rezeptortypen der Netzhaut, Zapfen und Stäbchen, für die Eichung der Biouhr entbehrlich sind, konzentrierte sich das Interesse bezüglich Fotorezeptorfunktion auf die sowohl bei Tieren wie bei Pflanzen verbreitete Gruppe von lichtaktiven Substanzen, Cryptochromen. Man nimmt an, dass solche zirkadianen Lichtsensoren Impulse ans Gehirn senden, die dann Botenstoffe in die Blutbahn abgeben und so die Milliarden von Körperuhren mit der Erdrotation abstimmen.

Am gut untersuchten Zebrafisch wurde die Aktivität des sogenannten Clock-Gens untersucht, das im Tierreich massgebend für das Funktionieren der zirkadianen Uhr verantwortlich ist. Zur Ermittlung der Aktivität dieses Clock-Gens mass man die Konzentration der Boten-RNA, jener Genabschrift, die als Blaupause die Proteinfabriken steuert. Und siehe da: Die Clock-Aktivität schwankte im Tagesablauf nicht bloss im Gehirn, sondern auch in anderen Organen.

Heini Hofmann

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