Forschung forscht

Die Menschheit wäre längst ausgestorben, hätte Sie auf Nahrungsaufnahme verzichtet, solange der Stoffwechsel nicht erforscht war. Ebenso steht es mit der Fortpflanzung. Und analog verhalten sich selbstbewußte Delta t-ler, die erst zu Bett gehen, wenn sie müde sind und nicht zu Zeiten, die der statistische Durchschnitt vorgibt.

Dennoch sind Schlafforschung und Chronobiologie für Delta t von höchstem Wert, indem sie uns z.B. helfen, gesellschaftliche Anfechtungen abzuwehren wie die, dass eine Änderung unseres Schlafverhaltens nur eine Frage des guten Willens sei. Auch gesellschaftspolitische Veränderungen, die z.B. die Schulanfangszeit betreffen, sind maximal realistisch vor dem Hintergrund unterstützender Forschungsergebnisse. Zeigen sich die Entscheider doch selbst gegenüber härtesten Fakten erstaunlich resistent.

Dabei sei nicht verschwiegen, dass wir uns nach Gründung von Delta t 1993 hauptsächlich erst wissenschaftlichen Bekehrungsversuchen ausgesetzt sahen. Man könne uns helfen, uns der Gesellschaft anzupassen. Die wesentlichen Zutaten: eine grosse Portion Disziplin und Schlafhygiene, regelmäßige Prisen Melatonin und morgens etwas Lichtfolter.

Zum Glück hat sich das Gesamtbild mittlerweile verändert. Die meisten Mediziner und Forscher scheinen sich mehr dem Individuum verpflichtet zu fühlen, als einem so nur statistisch existenten Durchschnittsschläfer in einer Durchschnittsgesellschaft. Entsprechend positive Publikationen hoffen wir vermehrt an dieser Stelle veröffentlichen zu können. Wir können mit unserer Homepage eine viel beachtete Plattform bieten und freuen uns auf eine gute Kooperation.

Till Roenneberg / Martha Merrow
Die innere Uhr

I. Chronotypen
Die achtjährige Anna Müller war wie jeden Morgen, und besonders an Montagen, wieder einmal viel zu spät dran.  Verschlafen, wie in Zeitlupe setzte sie sich an den Frühstückstisch.  Ihre zwei Geschwister unterhielten sich bereits lebhaft, während ihre Mutter fröhlich für alle sorgte, Schulbrote schmierte und Entschuldigungen, Mitteilungen oder Schulaufgaben unterschrieb.  Ihr Vater hingegen war noch nicht ansprechbar.  "Du mußt was essen, Anna, beeile Dich,"  mahnte die Mutter eindringlich.  Anna reagierte nicht und kaute seit fünf Minuten lustlos auf ihrem ersten Bissen Brot herum.  Ihr war klar, daß dies wieder einer von diesen erfolglosen Vormittagen werden sollte.  In der ersten Stunde hatte sie Rechnen und sie wußte schon jetzt, daß sie nichts kapieren würde.  Dabei war sie gar nicht mal eine mathematische Niete, aber so früh konnte man doch noch nicht denken - malen vielleicht, aber denken nicht.

Ähnliche Szenen spielen sich sicherlich in Deutschland jeden Morgen tausendfach ab.  Die Charaktere mögen anders verteilt sein, die Situation ist aber immer die gleiche.  Einzelne Mitglieder der selben Familie sind zu bestimmten Tageszeiten so verschieden, daß sie sich gegenseitig wie aus anderen Welten vorkommen - jeder ist ein anderer Chronotyp.  Die einen sind Morgenmuffel können aber als "Eulen" noch bis spät in die Nacht konzentriert arbeiten, die anderen sind schon in der Früh zwitschernde "Lerchen", energiegeladen und kompetent, schlafen aber abends im Kino oder Theater ein, sobald das Licht ausgeht.  Die Ursache für diese verschiedenen Zeittypen ist eine vererbte Eigenschaft, ein biologischer Mechanismus, den wir als "innere Uhr" bezeichnen.
 
II. Die Geschichted der biologischen Uhr
An einem Sommertag im Jahre 1729 saß der französische Astronom Jean Jacques d'Ortous de Mairan an seinem Schreibtisch und arbeitete an einem Manuskript über die Wirkung des Sonnenlichts.  Er betrachtete die Mimose auf seiner Fensterbank wie sie ihre vielen kleinen Fieder der Sonne entgegenstreckte.  Am Vorabend hatte de Mairan noch bis spät in die Nacht gearbeitet, während die Mimose "schlief", mit all den kleinen Blättern nach unten geklappt.  De Mairan räumte die Schubladen aus seinem Schreibtisch, stellte die Pflanze hinein und machte die Tür zu.  Während er weiter an seinem Manuskript schrieb, öffnete er in regelmäßigen Abständen die Schreibtischtüre und beobachtete die Stellung der Blätter.  Mit Erstaunen stellte er fest, daß die Mimose ihre Fieder den ganzen Tag lang aufgespannt behielt, obwohl sie nun im Dunkeln stand.  Erst gegen Abend, als es schließlich draußen dunkel wurde, klappte auch sie Ihre Blätter nach unten.  Am nächsten Morgen stand de Mairan lange vor Sonnenaufgang auf und fand, daß die Mimose noch schlief.  Etwa eine Stunde bevor das erste Tageslicht durch das Fenster, aber nicht in den Schreibtisch drang, bogen sich die Blätter langsam nach oben und verweilten in dieser Stellung den ganzen Tag über. 

Seit diesen ersten Beobachtungen von de Mairan haben sich viele Philosophen und Naturforscher, etwa Linné, Lichtenberg, Hufeland oder Darwin mit dem Phänomen der inneren Tagesuhr beschäftigt.  Sie erkannten, daß Tagesrhythmen nicht allein passive Antworten auf Licht und Dunkel sind, sondern eine harmonische Anpassung zwischen einer inneren Rhythmik des Organismus und den physikalischen Rhythmen des astronomischen Tages.  In unserem Jahrhundert untersuchten deu­tsche Pflanzenphysiologen, Wilhelm Pfeffer und Erwin Bünning, die "innere Uhr" mit naturwis­senschaftlichen Methoden.  Zu den wichtigsten Pionieren der neu entstandenen Forschungsrichtung  Chronobiologie gehören nach 1945 der deutsche Physiologe Jürgen Aschoff und der amerikanische Ökologe Colin Pittendrigh.  Ihren Arbeiten verdanken wir die grundlegenden Regeln und Gesetze über die innere Tagesuhr.  In den 80ger Jahren wurde die biologische Uhr, vor allem in den USA, mit molekularen Methoden untersucht. Einzelne Gene wurden isoliert, die für das Zustandekommens des inneren (von innen geschaffenen, endogenen) Rhythmus verantwortlich sind.  In den letzten Jahren erfolgte eine Explosion in der Erforschung der inneren Tagesuhr.  Heute beschäftigen sich etwa 1% aller wissenschaftlichen Arbeiten mit diesem Thema.

Wie kaum eine andere Forschungsrichtung ist die Chronobiologie auf interdisziplinäre Ansätze angewiesen.  Die traditionelle Verflechtung innerhalb der Chronobiologie von Zellbiologie bis Psychiatrie oder Arbeitsmedizin, zeigt die fundamentale Rolle der zeitlichen Regulation auf allen biologischen Ebenen.  Während die Amerikaner die Relevanz dieser Forschungsrichtung erkannten und große Zentren zur Erforschung der inneren Uhr gründeten, gibt es in Deutschland seit der Emeritierung von Jürgen Aschoff in den frühen 80ger Jahren keine offizielle Basis mehr für die Chronobiologie an deutschen Universitäten oder anderen Forschungseinrichtungen.  Aschoff leitete eine chronobiologische Abteilung am Max-Planck-Institut für Verhaltensphysiologie in Seewiesen (gegründet von Konrad Lorenz und Erich von Holst), wo er unter anderem viele Menschen in seinem legendären "Bunker" untersuchte, einer unterirdischen Isolationseinheit, die er speziell für diese Forschung bauen ließ.
 
III. Menschen in zeitlicher Isolation
Philip Klaas saß in einem kleinen Appartement und schrieb schon seit sechs Wochen in selbstgewählter Isolation an seiner Dissertation.  Gleichzeitig verdiente er jeden Tag ein wenig Geld, ohne daß er außer Haus gehen oder auch nur seine Schreibarbeiten unterbrechen mußte.  Er war Versuchsperson in einem chronobiologischen Experiment.  In seiner "Wohnung" gab es keine Fenster, weder in der Kochnische, noch im winzigen Bad, oder im Wohn- und Schlafraum.  Es gab keine Uhr, kein Radio und keinen Fernseher - er lebte in vollkommener zeitlicher Isolation und konnte sich seinen Arbeitstag selbst nach seinem eigenen Gefühl einteilen.  Noch zwei Wochen und er hatte die Einsamkeit überstanden und würde mit einer fertigen Doktorarbeit in die normale Welt zurückkehren.

Philip hatte gerade eine Einkaufsliste geschrieben und die innere Türe seines Appartements geöffnet, um die Liste in die Schleuse zwischen seinem zeitlosen Appartement und der zeitlichen Außenwelt zu legen, als sich die Türe auf der anderen Seite der Schleuse öffnete.  Mit großer Überraschung sah er sich seinem Versuchsleiter gegenüber.  Philip war wie vor den Kopf gestoßen.  Hatte er doch klar ausgemacht, acht Wochen auszuharren, und den Versuch nur dann abzubrechen, wenn er es nicht mehr aushielt - schlapp machte, wie er es formulierte, was nun wirklich nicht der Fall war.  Warum hatte die andere Seite die Vereinbarung nicht eingehalten und das Experiment vorzeitig abgebrochen?  Was war schief gegangen?  Philip wußte genau, daß es erst sechs Wochen waren, hatte er doch jeden Tag wie Robinson einen Strich gemacht.

Der Wissenschaftler lächelte nur über seine Argumente und bestand darauf, daß alles seine Richtigkeit hätte -  die ausgemachten acht Wochen wären heute vorüber.   Dies Verwirrung träte öfter bei Probanden auf.  Einige würden in zeitlicher Isolation sehr lange Tage verleben.  So kommt es zwischen der eigentlichen Anzahl der Tage und der individuell durchlebten Anzahl im Laufe des Versuchs zu beträchtlichen Verschiebungen.  Erst als der Versuchsleiter ihm die Tageszeitung zeigte, glaubte Philip dieses zeitliche Paradox.  Er war froh wieder in die Gemeinschaft der Uhrenträger entlassen zu werden, aber auch ein wenig enttäuscht, daß er seine Arbeit nicht fertig geschrieben hatte.

Zahlreiche Versuchspersonen durchleben in zeitlicher Isolation, in der nur ihre innere Uhr den Tag organisiert, extrem lange Tage.  Bei den meisten von ihnen dauern sie etwa 25 Stunden, bei manchen jedoch bis zu 50.  Keine der Versuchspersonen merkt diese große Abweichung vom 24-Stunden Tag.  Sie drücken gewissenhaft einen Klingelknopf, immer wenn sie meinen, eine Stunde wäre vorüber, und dann noch einmal nach einer geschätzten Minute.  An den extreme langen Tagen drücken sie diesen Stundenknopf auch nicht öfter als an den kürzeren.  Obwohl ihre Aktivitätszeit bis zu 33 Stunde betragen kann und sie 17 Stunden schlafen, essen sie die gleiche Menge, verteilt auf drei Malzeiten und gehen mit der gleichen Häufigkeit auf die Toilette wie an normalen Tagen.  An den langen Tagen ist ihre Biologie und Psyche verlangsamt, aber ohne eine Referenzuhr merken sie es nicht.  Nur ihr Gefühl für kurze Zeiten wird nicht zusammen mit der Länge ihres eigenen Tages gedehnt oder komprimiert.  Ihre Minutenschätzungen bleiben von der jeweiligen Tageslänge unabhängig.  Auch das trägt dazu bei, daß sie die Veränderungen nicht merken.  Anderenfalls hätten sie das Gefühl, daß ihr Lieblingsmusikstück zu schnell oder zu langsam abspielt, und würden dies gewissenhaft in ihrem Versuchstagebuch vermerken.
 
IV. Eigenwillig, präzise, aber nicht genau
Im Experiment, unter konstanten Bedingungen zeigt der endogene Tagesrhythmus eine erstaunliche Präzision, ist aber nicht notwendiger Weise genau.  Die Bewegungsaktivität eines blinden Affen wurde über fast drei Jahre hinweg in konstanten Bedingungen aufgezeichnet.  Seine Rhythmik hatte eine Periodenlänge von 24.5 Stunden, das heißt, der Affe begann jeden Tag seine Aktivität eine halbe Stunde später und wich von dieser Regelmäßigkeit innerhalb der aufgezeichneten Jahre jeweils nur wenige Minuten ab.  Unter konstanten Bedingungen zeigt die innere Tagesuhr ihre eigene Periodik.  Da diese zwar präzise über Jahre durchgehalten, aber von 24 Stunden abweichen kann, spricht man auch von einer "circadianen" Periode (ungefähr ein Tag).  In vielen Fällen, besonders bei Pflanzen und Tieren, ist die circadiane Periode auch kürzer als 24 Stunden.  Außerdem hängt sie davon ab, ob das Experiment in Dauerdunkel, schwachem oder hellen Dauerlicht durchgeführt wird.

Je nachdem, ob die circadiane Periode in konstanten Bedingungen schneller oder langsamer läuft, ordnet sie sich unter synchronisierten Bedingungen anders in den 24-Stunden Tag ein.  Schnellere Uhren eilen dem Tag voraus, langsamere hinken hinterher, auch wenn beide Uhrentypen ihre eigene Tagesstruktur unter den synchronisierten Bedingungen alle 24 Stunden wiederholen.  Die unterschiedliche "Geschwindigkeit" der circadianen Uhr wird durch Gene bedingt und ist somit angeboren.  An diesen Genen liegt es dann auch warum Anna und ihr Vater morgens Muffel sind, während der Rest der Familie schon in den frühen Morgenstunden fidel ist.  Eulen, die jeden Tag durch den Wecker um 6 Uhr geweckt werden, können ohne Schwierigkeiten am Wochenende mehrere Stunden länger schlafen.  Vielleicht wachen sie zur gewohnten Werktagszeit auf, drehen sich aber wieder um und schlafen mühelos weiter.  Anders die Lerchen, sie wachen werktags oft schon vor dem Wecker auf und haben an Wochenenden Schwierigkeiten länger zu schlafen.
 
V. Das Auge der Zeit
Da die innere Uhr zwar präzise aber nicht genau geht, muß sie täglich neu gestellt werden, muß mit dem 24-Stunden Tag der Umwelt synchronisiert werden.  Nur so kann sie zuverlässige Voraussagen über die Zukunft machen (wann mit dem Sonnenaufgang zu rechnen ist, wann die besten Bedingungen für Pollenflug, oder Futterquellen bestehen).  Das Stellen der inneren Uhr erfolgt mit Hilfe von speziellen Umweltsignalen (Zeitgebern), von denen das Licht wegen seiner Zuverlässigkeit die wichtigste Rolle spielt.  Die innere Uhr zahlreicher Organismen kann zwar auch durch andere Zeitgeber, wie Temperatur, Nährstoffe und ähnliches gestellt werden, das Licht ist dennoch für die allermeisten Organismen der Hauptzeitgeber.

Die Prinzipien der zeitlichen Kontrolle des Lebens auf allen biologischen Ebenen durch die innere Uhr und ihre Synchronisation mit der Außenwelt sind vom Einzeller bis zum Menschen gleich.  So besitzen zum Beispiel die innere Tagesuhren eigene Lichtre­zeptoren, die sich von denen der visuellen Raumwahrnehmung unterscheiden.  Beim Menschen, wie bei allen Säugetieren, sind es nicht die Stäbchen und Zapfen der Netzhaut, mit denen wir das Licht und die Farben unserer räumliche Umwelt wahrnehmen, sondern eigene Lichtrezep­toren, die auch im Auge sitzen und die in der Evolution wahrscheinlich weit vor den Stäbchen und Zapfen entstanden sind.  Das Gehirn "sieht" also die Zeit mit anderen "Augen" als den Raum.  Hierfür gibt es erstaunliche Beispiele.  In Nahen Osten lebt eine blinde Wühlmaus, deren ganzer Körper mit einem kurzen fast schwarzen Fell bedeckt ist.  Nur über den "Augen" wird der dunkle Pelz durch zwei weiße Fellflecken unter­brochen.  Hinter jedem dieser Flecken liegt ein völlig verkümmertes Auge, ohne Linse, Iris oder Glaskörper, das nur noch aus einer rudimentären Netzhaut besteht, in der sich die Lichtrezeptoren für das circadiane System befinden.  Die innere Uhr dieser Wühlmäuse wird über diese "Augen", die zu keiner Raumwahrnehmung fähig wären, vom Licht gestellt.
 
VI. Mittags sind wir alle Japaner
Herr Müller wird von einem Geschäftspartner zum Mittagessen eingeladen.  Auf die Frage, was er trinken möchte, antwortet er, "nur Wasser, bitte".  "Aber Sie haben doch, als wir uns vor ein paar Tagen abends trafen, gerne Wein getrunken", be­merkt sein Gastgeber. "Ja, abends regen mich ein oder zwei Gläser geradezu an, aber mittags kann ich mir nach einem halben Glas gleich ein Bett mitbestellen".

Auch dieses Phänomen, das die meisten Menschen schon einmal erfahren haben, liegt an der circadianen Uhr.  Ihre Kontrolle betrifft die gesamte Organisation des Organismus - vom Verhalten und der Funktion von Organen bis hin zu der Biochemie der Zellen und ihrer Moleküle.  Gene werden von der inneren Uhr zu verschiedenen Zeiten an- und ausgeschaltet.  Enzyme, die chemischen Werk­zeuge der Zelle, werden - je nachdem welche innere Stunde es geschlagen hat - aktiviert oder deaktiviert.  Komplexe Prozesse, wie etwa die Vermehrung von Zellen durch Zellteilung, werden zu bestimmten Tageszeiten eingeleitet.  So sind auch Wachstum oder Heilungsprozesse tageszeitlich geregelt.  Diese zeitliche Kontrolle ist bei pathologischer Wachstum (also Krebs) defekt.  Es gibt also enge Zusammenhänge zwischen der inneren Uhr und pathologischen Zuständen, die zum Beispiel bei der Therapie eine wichtige Rolle spielen sollten.  Erneuerung von Sinneszellen, wie den Stäbchen und Zapfen unserer Netzhaut findet nur zu bestimmten Zeiten statt, nämlich während der Nacht, da die "frischen" Rezeptorproteine noch zu lichtempfindlich sind. 

Das Ausmaß der circadianen Kontrolle über die Vorgänge im Organismus ist so groß, daß zwei verschiedene Individuen zur gleichen Tageszeit biochemisch ähnlicher sind als mit sich selbst im Abstand von 12 Stunden.  Viele Stoffwechselwege, Enzyme und andere Proteine werden von der inneren Uhr kontrolliert, so dass unser Körper auch auf Nahrung, Arzneimittel oder Alkohol zu verschiedenen Tageszeiten sehr unterschiedlich reagiert.  Diese tiefgreifende Kontrolle hat Herr Müller am eigenen Leib beobachtet und trinkt daher mittags keinen Alkohol.  Japaner haben übrigens eine veränderte Alkoholdehydrogenase, ein Enzym, das am Alkoholabbau maßgeblich beteiligt ist, und vertragen daher zu jeder Tageszeit weniger Alkohol als beispielsweise Europäer.  Auch bei Reisen über Zeitzonen erfahren wir, wie lange die Umstellung des körpereigenen Zeitprogramms dauert.  Asthmatiker, die wegen der Kontrolle der inneren Uhr in der zweiten Nachthälfte die größten Atembeschwerden haben, werden feststellen, daß sie nach einem Flug von Europa an die Westküste von Amerika besser schlafen können, da dort die Beschwerden schon am Abend ihren Höhepunkt erreichen.  Allerdings nur für ein paar Tage, denn dann hat sich die circadiane Uhr langsam umgestellt, und mit ihr auch der Zeitpunkt, zu dem die Atemwege besonders anfällig sind.

Eines der kostenintensivsten Folgen der strikten Kontrolle der inneren Uhr betrifft die Schichtarbeit.  Arbeiter leben während der Nachtschichten "gegen die innere Uhr", da sich das circadiane System durch den Schichtwechsel nicht umstellen läßt.  Da Licht der wichtigste Zeitgeber für das circadiane System ist, brauchen sie nur nach der Schicht bei Tageslicht nachhause oder Einkaufen gehen, oder am Nachmittag, wenn sie ausgeschlafen haben, ins Schwimmbad, und die innere Uhr "weiß" wo der eigentliche Tag liegt.  Auch wenn die Beleuchtung am Arbeitsplatz besonders hell ist, kann sie mit Sonnenlicht, selbst an einem regnerischen Tag, nicht im mindesten mithalten.  Diese Tatsache führt dazu, daß Schichtarbeiter nachts zu einer Zeit aktiv sind, in der die gesamte Physiologie des Körpers auf andere Aktivitäten eingestellt ist - unter anderem auf Schlaf.  Ihre Konzentrationsfähigkeit ist dann am geringsten, ihre Netzhaut ist besonders lichtempfindlich und kann durch Licht am stärksten geschädigt werden.  Ihre Magensäure ist niedrig und nicht auf verdauen eingestellt.  Wenn sie dann aber am Tage schlafen, ist der Säuregehalt in einem leeren Magen hoch.  Ihre Niere ist stärker auf Ausscheidung eingestellt, so daß selbst ihr Erschöpfungsschlaf oft durch Toilettengänge unterbrochen wird.  Dieses Leben gegen die innere Uhr führt langfristig zu chronischen Krankheitsbildern.
 
VII. Die Zeit im Reiskorn
Die meisten Funktion in unserem Körper haben eine klare Lokalisation - wir wissen wo das Organ liegt, das für den Pulsschlag selbst in unserem Fuß verantwortlich ist.  Dies gilt auch für die innere Uhr.  Die Lokalisation der zentralen "Schrittmacher", die für den circadianen Rhythmus verantwortlich sind, ist für die meisten Tiere bekannt.  Bei Säugetieren und auch beim Menschen liegt sie in einem paarigen, reiskorngroßen Gehirnkern (Nucleus) hinter unserem Nasenrücken über der Sehnervenkreuzung (dem Chiasma).  Dieser "suprachiasmatische" Nucleus (SCN) erhält seine Lichtinformationen aus dem Auge über die Sehnerven und steuert die gesamte zeitliche Tagesorganisation des Körpers.  Auch die einzelnen Zellen dieses Uhrenzentrums können, jede für sich, circadiane Rhythmen erzeugen.  Neben diesem besitzen vermutlich fast alle Zellen des Körpers diese Fähigkeit.  Die einzelnen Zellrhythmen werden durch körpereigene Signalstoffe vom zentralen Schrittmacher synchronisiert.  Einer dieser zeitlichen Signalstoffe ist das Melatonin, das von der Zirbeldrüse im Gehirn unter der Kontrolle des SCN tagesrhythmisch ausgeschüttet wird - es signalisiert dem Körper Nacht.  Circadiane Rhythmen werden also von einem zentralen Gehirnkern koordiniert, aber durch biochemische Prozesse in einzelnen Zellen generiert.  Diese zellulären circadianen Mechanismen werden zur Zeit weltweit mit modernen biologischen Methoden intensiv erforscht.
 
VIII. Zeitökologie
Die wissenschaftliche Ökologie befaßt sich fast ausschließlich mit der räumlichen Umwelt, die grob unterteilt (Land und Wasser) oder genauer eingegrenzt werden kann (z.B. die Nadelwälder der Alpen).  An die Eigenschaften dieser Lebensräume (Biotope) haben sich alle Lebewesen im Laufe der Evolution angepaßt.  In der Erdgeschichte sind immer neue Lebensräume entstanden, die von Organismen besiedelt wurden, und wir wissen viel über die Mechanismen der Evolution und der speziell angepaßten Physiologie in räumlichen Biotopen. 

Dahingegen wird die zeitliche Ökologie, die Zusammenhänge und die Spezialisierung innerhalb von Zeiträumen, weit weniger beachtet, obwohl sie an den Organismus vergleichbare Aufgaben stellen.  Auch in dieser Chrono-Ökologie existieren "Nischen" (Chronotope), die durch voraussagbare Strukturen gebildet werden.  Der Tag ist heller und wärmer, die Nacht dunkler und kühler;  viele physikalische Faktoren (z.B. Feuchtigkeit, Winde und Luftdruck) aber auch biologische Faktoren (z.B. das tageszeitliche Auftreten von Freßfeinden) ändern sich systematisch.  Organismen müssen also zeitliche Strategien für Fortpflanzung, Brutpflege oder Nahrungsaufnahme entwickeln.  Diese führen dazu, daß sich im Laufe der Evolution tagaktive, nachtaktive, oder dämmerungsaktive Tiere spezialisieren konnten.  Werden Chronotope gewechselt, gehen damit drastischen Veränderungen (z.B. der Sinnesorgane) einher:  Für Nachtaktive ist vor allem das Riechen und Tasten wichtig, für Tagaktive wie dem Menschen mehr das Sehen, erstere sind meist schwarz-weiß, letztere oft bunt.
 
IX. Ein inneres Bild von Raum und Zeit
Herr Müller ist auf Geschäftsreise.  Als er am Abend sein Hotelzimmer betritt, packt er als erstes das Wichtigste aus - Biologen würden sagen, er markiert sein Territorium.  Er stellt Rasierpinsel und Zahnbürste auf das Regal über dem Waschtisch, legt sein Nachthemd auf's Bett und hängt einige seiner Sachen in den Schrank.  Er muß heute Abend noch mit seinen Geschäftspartnern Essen gehen und morgen früh Verhandlungen führen.  Nach einer Dusche verläßt er sein Zimmer und kommt erst gegen Mitternacht wieder zurück.  Da es schon spät ist, und er zum Essen Wein getrunken hat, schläft er sofort ein und wird erst wieder vom Wecker aus einem tiefen Schlaf gerissen.  Als er noch im Halbschlaf die Augen öffnet, weiß er nicht, wo er ist - nichts paßt zusammen.  War da nicht ein Schrank, wo jetzt ein Fenster ist, war da nicht eine Türe wo jetzt ein geschmackloses Bild an der Wand hängt?  Nach kurzer Zeit, die ihm wie eine Ewigkeit erscheint, fällt es ihm dann wie Schuppen von den Augen.  Er ist in seinem Hotelzimmer, muß schnell aufstehen und zu einer wichtigen Besprechung.

In unserem Gehirn ist ein Lageplan unserer Umwelt schon präsent, bevor wir sie eigentlich wahrnehmen.  Dieses innere "Bild" (die endogene Repräsentation) wird ständig über die Wahrnehmung mit der Außenwelt abgeglichen.  Bisweilen kommt es jedoch vor, daß wir zum Beispiel beim Aufwachen in einem fremden Zimmer nicht wissen, wo wir sind.  Wir wachen auf mit einer Erwartung über den Raum, in dem wir uns befinden (z.B. unser eigenes Schlafzimmer), die mit der eigentlichen Räumlichkeit (dem Hotelzimmer) nicht übereinstimmt.  Bemerkenswert dabei ist, daß unser Gedächtnis die Lagepläne für beide Räume gespeichert hat.  Dennoch erkennen wir keinen von beiden.  Es ist ein Fehler in der endogenen Repräsentation aufgetreten, der erst korrigiert werden muß.  Ein Abgleich zwischen dem innerem Lageplan und der Realität ist nicht möglich, da sie zwei völlig verschiedene Räume betreffen.  Erst wenn es dem Gehirn gelingt, den Fehler unseren unbewußten Erwartung zu korrigieren, den richtigen Raum im Gedächtnis zu "finden" und sein inneres Bild aufzubauen, klappt der Abgleich zwischen Repräsentation und Realität und uns wird schlagartig klar, wo wir uns befinden.

Unser Gehirn nimmt also seine Umwelt ganz aktiv wahr - geht mit Erwartungen an die unmittelbare Zukunft heran, sagt sie voraus (antizipiert sie) mit Hilfe einer endogenen Repräsentation.  Über die Mechanismen dieser Gehirnleistungen ist bezüglich der Raumwahrnehmung noch wenig bekannt.  Die Funktion der inneren Tagesuhr hängt auch mit endogener Repräsentation zusammen, in diesem Fall nicht eines Raumes, sondern eines Zeitraumes - dem Tag.  Wie in der räumlichen Umgebung gibt es in der Zeit voraussagbare Strukturen, die durch die innere Uhr antizipiert werden können.  So kann die innere Uhr der Mimose beispielsweise die Blättern schon vor Sonnenaufgang aufstellen und die Biochemie für die Photosynthese rechtzeitig optimieren, weil es mit an Sicherheit grenzender Wahrscheinlichkeit von einem nächsten Sonnenaufgang ausgehen kann.  Ähnliche Repräsentationen von Zeiträumen stellen auch die anderen drei biologischen Uhren dar, die es dem jeweiligen Organismus erlauben, sich auf die Voraussagbarkeiten von Ebbe und Flut, von Mondphasen oder Jahreszeiten vorwegnehmend einzustellen.
 
X. Ein Mensch für alle Jahreszeiten
Der Zeitraum Jahr spiegelt sich bei Mensch, Tier und Pflanze in vielen Körperfunktionen wider.  Blattbildung und Laubabfall bei Pflanzen, Mauser, Fell- und Geweihwechsel, Winterschlaf oder Vogelzug bei Tieren, Schlaf- und Eßverhalten beim Menschen und seine Gemühtsstimmung sind saisonal, um nur einige Beispiele zu nennen.  Wie für den Tagesrhythmus ist auch für den Jahresrhythmus eine innere (circa-annuale) "Uhr" verantwortlich.  Unter "konstanten" Bedingungen (für den Jahresrhythmus bedeutet dies zum Beispiel eine konstante Tageslänge von 12 Stunden über das ganze Jahr hinweg) wiederholt sich der endogene Jahresablauf ungefähr alle 365 Tage.  Wie die Tagesuhr, muß auch die Jahresuhr gestellt werden, und wieder ist Licht das wichtige Signal, in diesem Falle die Tageslänge. Auch Veränderungen der Temperatur beeinflussen und stellen die Jahresrhythmik.  Die saisonale Fortpflanzung ist bei Pflanzen und Tieren besonders auffällig.  Auch beim Menschen ist die Fortpflanzung je nach Jahreszeit unterschiedlich erfolgreich.  Eine weltweite Untersuchung monatlicher Geburtenraten zeigte, daß der menschliche Fortpflanzungsrhythmus auf einer jahreszeitlich unterschiedlichen Erfolgsrate der Empfängnis beruht.  Die größte Zunahme der Empfängnisraten liegt weltweit zum Zeitpunkt des stärksten Anstiegs in der Tageslänge (21. März auf der Nord- bzw. 21. September. auf der Südhalbkugel) während das eigentliche Maximum dann auftritt, wenn die Durchschnittstemperaturen in den jeweiligen Regionen der Erde etwa 16°C erreichen, im Süden unserer Halbkugel also früher als im Norden.  In den meisten Ländern hat sich dieser Empfängnisrhythmus allerdings in den letzten 50 Jahren stark verändert und ist in Industrieländern kaum noch nachweisbar.  Dies liegt - bedingt durch elektrisches Licht und Zentralheizung - an der zunehmenden Abschirmung des Menschen von den Umweltsignalen (Tageslänge und Temperatur), die diese saisonale Rhythmik stellen könnten.
 
XI. Auswirkungen auf Wissenschaft, Medizin und Gesellschaft
Die großen tageszeitlichen Unterschiede in der menschlichen Physiologie wirken sich auf alle Aspekte des Verhaltens aus und sollten in der Medizin und der Arbeitswelt, aber auch in allen anderen Lebenssituationen berücksichtigt werden.  Die medizinische Meßtechnik muß zum Beispiel den Chronotypus des Patienten berücksichtigen, wenn sie wirklich genaue Diagnosen ermöglichen soll.  Messungen des Blutdrucks, der Reaktionsgeschwindigkeit oder der Sehschärfe, um nur einige Beispiele zu nennen, sind ohne circadiane Informationen nicht exakt.  Dies gilt ebenso für medizinische wie für experimentell wissenschaftliche Messungen.  Wenn eine "Lerche" und eine "Eule" früh nüchtern zur Blutuntersuchung erscheinen, werden ihre gemessenen Werte unterschiedlich sein, nur weil sie verschiedenen Chronotypen sind und nicht weil der eine von ihnen kränker ist als der andere.  So sind zum Beispiel die Blutfettwerte auch bei Gesunden nachts wesentlich höher als tags - die "Eule" wird daher einen höheren Cholesterinspiegel zeigen als die "Lerche".

Wirkung und Zeitverlauf vieler Medikamente (z.B. Herz-Kreislauf-Mittel, Antiasthmatika, Analgetika, Lokalanaesthetika, Zytostatika, Antibiotika, Antihistaminika, Opioide und Psychopharmaka, wie Benzodiazepine, Antidepressiva, Neuroleptika, oder wie bereits beschrieben Alkohol) sind nachweislich circadian unterschiedlich.  Das Einnehmen solcher Medikamente zur optimalen Tageszeit benötigt eine kleinere Dosis bei gleicher Wirkung und weniger Nebenwirkungen.

Die Verteilung der Arbeitszeit sollte - soweit dies im Sozialgefüge (z.B. Familien) möglich ist, den Chronotypus berücksichtigen, und die Lichtbedingungen sollten so beschaffen sein, daß sie eine auf "Nacht" eingestellte Netzhaut nicht schädigen.  In großen Betrieben ließen sich, bis auf wenige Nachtstunden, Schichten entsprechend der Chrono­typen so einteilen, daß sie 24 Stunden abdecken, und dennoch kein Arbeitnehmer gegen seine innere Uhr leben müßte.  Die Effektivität der Arbeit würde sich dadurch drastisch erhöhen und die Folgekosten für chronische Krankheiten drastisch senken.

Ein wichtiger sozialer Zeitgeber für unsere Kinder ist der morgendliche Schulbeginn.  Berücksichtigt man die schon in der Kindheit ausgeprägten Chronotypen, wie Anna und ihre Geschwister, wird verständlich, daß die "Eulen" unter ihnen, die bei Jugendlichen in der Pubertät aus Entwicklungsgründen überwiegen, Schwierigkeiten haben.  Jeden Morgen müssen sie den Tag vor ihrem inneren Morgen beginnen, und sich dennoch den Erfordernissen stellen.  Mehrere internationale Studien zeigten, daß schon eine Verschiebung des Schulbeginns um eine halbe Stunde zu weniger Verspätungen, deutlichen Leistungsverbesserungen und zu einer geringerer Krankheitsanfälligkeit führt.  Dennoch spielen diese klaren Ergebnisse bei der Gestaltung unseres täglichen Lebens nur eine geringe Rolle.

Auch im Jahresverlauf sollte eine moderne Technik auf die biologischen Rhythmen eingehen.  Da wir in der industriellen Arbeitswelt die meiste Zeit in Innenräumen verbringen, sind wir von den natürlichen Lichtverhältnissen während des Tages abgeschirmt.  Die normale Beleuchtung eines Innenraums liegt etwa zwischen 50 und 500 Lux.  Da das Licht aber unser wichtigster Zeitgeber ist, und für unsere biologische Uhr erst Intensitäten über 1000 Lux  wirksam ist, verbringen wir den größten Teil  unserer Zeit in chronobiologischer Finsternis.  Was aber ist die Folge, wenn Sonnenlicht als ein wesentlicher Faktor bei der effektiven Anpassung des Menschen an seine Umwelt fehlt und die Uhr nur unzureichend synchronisiert?  Ein Mangel an Tageslicht kann über längere Zeit zu Schlafstörungen, Energielosigkeit, Verstimmungen und sogar zu Depressionen führen.  Eine jahreszeitliche Anpassung der Physiologie, des Hormon- und Immunsystems ist für unsere Gesundheit notwendig, und das Ausbleiben der hierfür nötigen Umweltsignale könnte mit ein Grund für zahlreiche jahreszeitlich bedingte Krankheiten sein, von Allergien bis hin zu saisonalen Depressionen. 

Statistische Untersuchungen zeigen, daß die meisten Menschen im Verlauf des Jahres Stimmungsveränderungen ausgesetzt sind.  Bei man­chen Menschen sind diese Schwankungen so stark ausgeprägt, daß sie zu psychiatrischen Fällen wer­den.  Erste Symptome wie mangelnde  Energie, überlanges Schlafen, vermehrter Appetit und ein unwiderstehliches Verlangen nach Kohlenhydraten, besonders Süßigkeiten und daraus resultierende Gewichtszunahme, beginnen meist im Herbst.  Diese saisonale Depression (SAD, seasonal affective disorder) ist an die Funktion der biologischen Uhren gebunden und kann mit Hilfe von chronobiologischem Wissen therapiert werden, wie zum Beispiel durch zeitlich gezielte Darbietung von hellem Licht (Phototherapie, Licht über 2500 Lux für wenige Stun­den am Morgen und am Abend).  Stu­dien über die Wirksamkeit der Phototherapie zeigen, daß sich die Symptome bei 65 % aller SAD-Patienten verbessern.

Die Chronobiologie brachte auch wichtige Erkenntnisse für die Geriatrie und die Schlafpathologie.  Das circadiane System wird mit zunehmendem Alter schwächer und weniger präzise.  Diese natürliche Erscheinung führt im Alter zu Schlaf- und Aktivitätsproblemen.  Da sich das statistische Lebensalter immer mehr erhöht, betreffen diese Probleme in zunehmendem Maße eine immer größere Anzahl von Menschen.  Auch hier könnten die Forschungsergebnisse der Chronobiologie therapeutische Ansätze liefern.  Bestimmte Schlafstörungen - auch bei jüngeren Patienten, deren SCN noch kräftig oszilliert - liegen an einer mangelnden Synchronisation der inneren Uhr mit der Umwelt.  Patienten mit "verzögertem Schlafphasensyndrom", können erst sehr spät ins Bett gehen und schlafen lange in den Tag hinein (sie sind sozusagen pathologische "Eulen").  Im Extremfall sind die Schlafphasen überhaupt nicht mehr mit dem 24-Stunden-Tag synchronisiert.  Dieses Syndrom ist sehr häufig bei Blinden, bei denen nicht nur die Lichtrezeptoren für die Raumwahrnehmung, sondern auch die der inneren Uhr erblindet sind.  Nur selten tritt ein "vorverschobene Schlafphasensyndrom" auf, bei dem Patienten viel zu früh einschlafen und sehr früh erwachen (pathologische "Lerchen").  Die extremste Variante dieser chronobiologischen Schlafpathologien ist  die Schlaf-Wach Umkehr, wie sie aus der Geriatrie bekannt ist und sich besonders bei Alzheimerpatienten zeigt.  Eine abendliche Einnahme des "Dunkelhormons" Melatonin kann in all diesen Fällen neben Lichttherapie erfolgreich eingesetzt werden.  Selbstverschriebene Einnahmen dieses Hormons, etwa bei Jet-lag, sollten allerdings vermieden werden, da über die verschiedenen Wirkungen des Melatonins bis hin zu Einflüssen auf die Fruchtbarkeit noch zu wenig bekannt ist.

Für die Lösung all der geschilderten Beispiele und Schwierigkeiten muß die chronobiologische Forschung in Zukunft weit mehr als bisher gestärkt und unterstützt werden.  Die Chronobiologie sollte offiziell an biologischen und medizinischen Fakultäten vertreten sein, und die Lehre über chronobiologische Zusammenhänge müßte zur Routineausbildung aller Lebenswissenschaften gehören.  Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg.

Abdruck eines Artikels aus Politik und Zeitgeschichte, Juli 1999, mit freundlicher Genehmigung der Autoren.


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Wir freuen uns, den Startpunkt setzen zu können mit einem Aufsatz, an dem Deutschlands erster Professor für Chronobiologie beteiligt ist.
Es handelt sich um den Abdruck eines Artikels aus Politik und Zeitgeschichte, Juli 1999, der uns hierfür von den Autoren freundlicherweise zur Verfügung gestellt wurde.

Prof. Dr. Till Roenneberg

Prof. Dr. Till Roenneberg erforscht seit mehr als 25 Jahren die bio-medizinischen Grundlagen der inneren Tagesuhr.
Er ist Schüler von Prof. Jürgen Aschoff, einem der Pioniere dieser Forschungsrichtung, und hat 4 Jahre an der Harvard Universität die zellulären Mechanismen der inneren Uhr gelehrt und erforscht.
Seit 1988 leitet er die Arbeitsgruppe Chronobiologie am Institut für Medizinische Psychologie (Medizinischen Fakultät der Universität München).
Im Juli 2001 wurde er als Professor für Chronobiologie und Chronomedizin an die Universität München berufen.

Frau Dr. Martha Merrow ist Molekularbiologin und Immunologin und arbeitet seit 10 Jahren an den molekularen Mechanismen der inneren Uhr.
Seit 1996 leitet sie die molekulare Forschung in der Arbeitsgruppe Chronobiologie.

Das schlafende Schaf auf Pellworm scheint sich nicht darum zu scheren, dass es temporär in der Minderheit ist.