Wie Sie gehört haben, ging der Nobelpreis für Medizin oder Physiologie 2017 an die Amerikaner Jeffrey C Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young für ihre Entdeckungen auf dem Gebiet des circadianen Rhythmus - dem Mechanismus der Zellen, der die innere Uhr reguliert Menschen, Tiere und Pflanzen.
Wissenschaftlern gelang es beispielsweise, ein Gen zu isolieren, das den zirkadianen Rhythmus der Drosophila-Fliege reguliert.
Die interne Uhr ist für Schlafzyklen, Blutdruck, Hormonspiegel und Körpertemperatur verantwortlich. Sie betreffen alles Leben auf der Erde, von einzelligen Cyanobakterien bis hin zu höheren Wirbeltieren, einschließlich uns Menschen.
Die Sonne und andere Zeitgeber
Das Studium der inneren Uhren ist zu einem völlig unabhängigen Wissenschaftszweig geworden, der als Chronobiologie bezeichnet wird.
Die Chronobiologie läuft, wie der Name schon sagt, auf das Studium biologischer Rhythmen und ihrer Beziehung zur Umwelt hinaus: Die Deutschen nennen sie Zeitgeber, also Synchronisierer.
Der offensichtlichste Zeitgeber ist natürlich das Sonnenlicht und seine Zyklen.
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Wir Menschen haben seit jeher die Reaktionen der Natur auf die Zunahme und Abnahme des Sonnenlichts beobachtet, vor allem, wie Pflanzen ihre Blüten und Blätter entsprechend der empfangenen Lichtmenge öffnen und schließen.
Doch erst im 18. Jahrhundert gelang es dem Menschen zu beweisen, dass es nicht nur um äußere Signale ging: Etwas im Organismus selbst enthüllt das Geheimnis der biologischen Uhr, das nicht nur davon abhängt, wie hoch die Sonne am Himmel aufging.
Auf, Mimose
Einer der ersten, der dieses Phänomen wissenschaftlich beobachtete, war der französische Astronom Jean Jacques d'Ortous de Mairan.
Es war 1729, als er einen Mimosenbusch in die Dunkelheit stellte und bemerkte, dass er seine Blätter immer noch öffnet und schließt, abhängig von der Tageszeit und davon, ob die Sonne irgendwo scheint, was nicht in der Nähe war.
Mimose in der Sonne / flickr.com, Ben Blash
Daraus schloss er, dass der Impuls der Pflanze, die Blätter zu öffnen und zu schließen, eher mit einem inneren Mechanismus als mit einer sklavischen Reaktion auf äußere Reize in Form von Veränderungen des Sonnenlichts zusammenhängt.
Es ist jedoch klar, dass, wenn Tageslichtschwankungen für einen längeren Zeitraum aus der Gleichung entfernt werden, die biologische Uhr natürlich früher oder später schief gehen wird.
Isolierung unter Tage
Einer der ersten Wissenschaftler, der in unserer Zeit den Einfluss der biologischen Uhr auf den Menschen aktiv untersuchte, war der französische Geologe und Höhlenforscher Michel Siffre in den frühen 60er Jahren.
Dies war zu Beginn der Ära der Raumfahrt und während des Kalten Krieges, als sich eine Person für die Reaktion des Körpers auf lange Isolationsperioden interessierte, beispielsweise für eine Raumkapsel oder einen Luftschutzbunker nach einem Atomkrieg.
1962 gelang dem 23-jährigen Sifr ein Durchbruch mit einem mutigen Experiment, bei dem er nachweisen konnte, dass wir eine eingebaute Uhr haben, genau wie Pflanzen.
Vom 18. Juli bis 14. September 1962 isolierte er sich in der Scarasson-Gletscherhöhle in den französischen Alpen in einer Tiefe von 100 Metern unter der Erde von der Welt.
Sifr pflegte den Kontakt zur Außenwelt nur über die Telefonleitung, über die er berichtete, wenn er ins Bett ging und aufstand.
Schwere Orientierungslosigkeit
Das Fehlen äußerer Reize und Uhren im Laufe der Zeit verwirrte Sifr im Laufe der Zeit völlig (und machte ihn, wie er später selbst zugab, fast verrückt).
Sifr selbst glaubte, dass er in Zyklen von 15 Stunden schlief und den Kontakt zum natürlichen Tagesrhythmus völlig verloren hatte. Es stellte sich jedoch heraus, dass sein Körper die Zeit perfekt im Auge hatte und durchschnittlich 24,5 Stunden lang lebte.
Nachdem Sifr 63 Tage in einer Eishöhle verbracht hatte, trat er schließlich ans Tageslicht und glaubte, dass es der 20. August im Kalender war. Mit anderen Worten, er verlor einen ganzen Monat in seinem Kopf.
Aber der Körper wusste es besser. Und Sifr konnte ein für alle Mal beweisen, dass wir Menschen mit biologischen Uhren ausgestattet sind.
Immer mehr Wissenschaftler beschäftigen sich mit diesem Thema
Ein paar Jahre später führte Michel Sifre ein weiteres ähnliches Experiment durch, diesmal jedoch als Beobachter für zwei andere Höhlenforscher, Josie Laures und Antoine Senni. Auch sie ließen sich unter der Erde isolieren, jede in ihrer eigenen Höhle, etwa hundert Meter voneinander entfernt.
Die einzigen Menschen auf der Erdoberfläche, mit denen Lores und Senny telefonisch in Kontakt blieben, waren Wissenschaftler, die ihre Schlafzeiten, körperlichen Indikatoren und Mahlzeiten aufzeichneten.
Lores und Senny mussten nicht unter Müßiggang leiden, der Zweck des Experiments bestand nicht darin, ihnen sensorische Reize vollständig zu entziehen, sie durften beispielsweise Musik hören oder Handarbeit leisten: zum Beispiel Lores strickte.
Lores verbrachte 88 Tage in ihrer Höhle, während Senny 126 Tage in ihrer verbrachte. Als sie schließlich von dort auftauchten, waren beide in relativ guter körperlicher Verfassung, aber nach dem Experiment noch verwirrter als Siphre.
Antoine Senny glaubte zum Beispiel, dass er die Höhle am 4. Februar verlassen hatte, als das richtige Datum der 5. April war. Josie Lores war im Allgemeinen in guter körperlicher Verfassung, aber es dauerte sehr lange, bis der natürliche Schlafzyklus wiederhergestellt war.
05. April 1965. Antoine Senny (Mitte) verlässt die Höhle nach 125 Tagen Einsamkeit. Er wird von Josie Lores (rechts) begrüßt, einer weiteren Teilnehmerin des Experiments, die 88 Tage isoliert / AP Photo verbracht hat
Zu dieser Zeit gelang es der Isolation, sogar die biologische Uhr zu täuschen.
Es stellte sich heraus, dass Senny in einen solchen Rhythmus fiel, in dem er 30 Stunden hintereinander schlafen konnte, obwohl er selbst glaubte, dass er sich nur für ein leichtes Nickerchen hinlegte.
Dornröschen der Realität
Neuere isolierte Studien haben gezeigt, dass Menschen ihren Schlafzyklus um bis zu 48 Stunden verlängern können, wenn sie keinen externen Reizen ausgesetzt sind.
Aber auch wiederholte Experimente mit Isolation haben gezeigt, dass die innere Uhr einer Person, unser zirkadianer Rhythmus, natürlich in einem Zyklus von etwas mehr als 24 Stunden auftritt. Aber wo ist diese Uhr rein physisch?
All dies ist mit einem kleinen Bereich im Gehirn verbunden - dem suprachiasmatischen Kern des Hypothalamus. Es ist ungefähr so groß wie ein Reiskorn. In der Praxis ist es diese biologische Uhr, die unseren täglichen Rhythmus reguliert.
Und es erhält grundlegende Zeitinformationen von der Sonne. Abends, wenn das Licht ausgeht, sendet es ein Signal an die Zirbeldrüse, Melatonin zu produzieren, das den Körper auffordert, ins Bett zu gehen.
Im Sommer funktioniert dieser Mechanismus umgekehrt, der Melatoninspiegel nimmt mit zunehmender Lichtmenge ab, was unter anderem die Prolaktinproduktion bei Frauen erhöht und die Fruchtbarkeit erhöht.
Jeder, der in der Region des Frühlingsäquinoktiums geboren wurde, sollte sich vielleicht bei der Sommersonne bedanken, die neun Monate zuvor Vater und Mutter in die richtige Stimmung gebracht hatte.
Diejenigen, die nicht sehen
Der suprachiasmatische Kern, der unsere innere Uhr reguliert, tritt aus und empfängt durch das Sehen ein Signal von den Augen. Aber was ist mit Blinden? Wie ist ihre biologische Uhr reguliert?
In der Tat leiden blinde Menschen oft unter Schlafstörungen und müssen Melatonin einnehmen, um die Symptome zu lindern.
Aber es gibt eine amerikanische und britische Studie, die zeigt, dass selbst bei einer völlig blinden Person, die die visuellen Zellen der Netzhaut selbst zerstört hat, dh den sogenannten Stäbchen und Zapfen, das Auge Licht registrieren kann, selbst wenn die Person selbst nichts davon weiß.
Mit anderen Worten, das Signal kann immer noch über den Sehnerv in den Hypothalamus gelangen. Ihre biologische Uhr funktioniert also möglicherweise auch dann, wenn Sie nicht sehen können. Und obwohl unsere internen Uhren lange Zeit isoliert funktionieren, werden wir ohne Licht krank.
Experimente mit Labormäusen zeigten, dass Mäuse, die über einen längeren Zeitraum im Dunkeln gehalten wurden, unter ähnlichen Symptomen wie Depressionen litten.
Lichtmangel reduziert die Dopaminsekretion, beeinflusst den Blutzuckerspiegel und beeinträchtigt sogar das Gedächtnis. Sowohl bei Mäusen als auch beim Menschen.
Hirsch List
Trotzdem haben die Rentiere, die im Norden Lapplands weiden, alles auf sehr clevere Weise besiedelt. Immerhin leben sie in ununterbrochener Dunkelheit, dann in ununterbrochenem Licht, abhängig von der Jahreszeit, so dass sie in ständigem Stress sein mussten.
Es stellte sich jedoch heraus, dass die biologische Uhr des Hirsches etwas anders funktioniert als unsere. Unsere interne Uhr sorgt dafür, dass Melatonin in einem relativ regelmäßigen 24-Stunden-Zyklus freigesetzt wird.
Bei Hirschen hängt die Produktion von Melatonin direkter mit der empfangenen Lichtmenge zusammen als mit einer genetisch bestimmten biologischen Uhr.
Das heißt, der Hormonspiegel steigt an, wenn es dunkel ist, und nimmt ab, wenn es hell ist. Mit anderen Worten, Hirsche haben keinen Tagesrhythmus, sondern wir können sagen, dass sie einen Jahresrhythmus haben.
Dies ermöglicht es ihnen, weiterhin an ihren Flechten zu kauen, wenn sie sie finden können, unabhängig von der Tageszeit und ohne von der internen Uhr abgelenkt zu werden, die angibt, dass es Zeit zum Schlafen ist.
Und es sieht so aus, als wäre dies eine gute Option für sie. Denken Sie selbst, haben Sie jemals ein Reh mit Depressionen gesehen?
Marcus Rosenlund