Leben mit der Wiederkehr

Warum es innere Uhren gibt

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30 Minuten
Eine Uhr liegt im Rasen neben einem Blumenbeet. Die Uhr steht auf viertel vor acht.

Der dritte Teil des Erbe&Umwelt Schwerpunkts zur Chronobiologie beschreibt die vielen Vorteile, die Lebewesen haben, wenn sie innere Uhren und Kalender besitzen. Sie können navigieren, den Zeitpunkt von Paarung und Geburt optimieren und bekommen genügend Nahrung. Kein Wunder, dass viele dieser Rhythmen auch für uns Menschen wichtig sind.

Sonne, Mond und Sterne – die Menschen versuchen seit Ewigkeiten ihren Lauf vorherzusagen, aus ihrem Stand zu lesen, wann es Frühling wird oder der rechte Zeitpunkt für die Ernte gekommen ist. Die sächsische Himmelsscheibe von Nebra ist rund 4.000 Jahre alt und damit die älteste bekannte Abbildung der Gestirne. Sie diente vermutlich als Kalender. Noch etwas älter ist der rätselhafte Steinkreis von Stonehenge, Großbritannien, der vermutlich half, Sommer- und Wintersonnenwenden zu datieren. Und gut 10.000 Jahre vor unserer Zeitrechnung ritzten Menschen bereits Bilder von Tieren in Geweihsprossen, die regelmäßig im Frühjahr auftauchten und so als kalendarischer Hinweis dienten.

Egal was für eine Uhr man sich ausdenken mag, sie wurde bereits erfunden: Die Sonnenuhr, wie wir sie heute kennen, gab es schon vor 3.000 Jahren in Babylonien. 2.000 Jahre früher sollen die Chinesen bereits eine Feueruhr konstruiert haben, bei der ein Stab abbrannte und in regelmäßigen Abständen daran fest geknotete Perlen auf einen Gong fallen ließ. Die Griechen und Ägypter bauten Wasseruhren, bei denen ein Topf durch ein Loch im Boden pausenlos Wasser verlor und der Wasserstand die Uhrzeit angab. Die Chinesen bastelten riesige Wassertürme, die mit kontinuierlichem Plätschern Rädchen antrieben, deren Stand die Uhrzeit markierte. Im dreizehnten Jahrhundert entwarfen Europäer schließlich die erste mechanische Uhr.

Woher der Erfindungsgeist? Ist es wirklich so ein ungeheurer Vorteil, zu wissen, was die Natur als nächstes vorhat? Es scheint, als hätte die Evolution diese Frage schon lange vor den Menschen beantwortet.

Gutes Timing wird belohnt

3,5 Milliarden Jahre ist die innere Tagesuhr der Cyanobakterien alt. Und auch die Anpassungen an Mond-, Gezeiten oder Jahresrhythmen sind unter Tieren und Pflanzen so weit verbreitet, dass sie vermutlich sehr urtümliche Errungenschaften sind. „Evolution hat den zirkadianen Uhren gut getan“, fasst der Chronobiologe Michael Hastings aus Cambridge, Großbritannien, zusammen. „Sie verleihen einem Organismus adaptive Vorteile, versetzen ihn in die Lage, zu antizipieren und sich dabei auf tägliche Umweltveränderungen vorzubereiten“.

Dass diese Theorie stimmt, zeigten im Jahr 2001 zwei Forscher*innen von der Vanderbilt Universityin Nashville, USA. Tetsuya Mori und Carl Hirshie Johnson beobachteten drei Sorten von Cyanobakterien. Sie waren absolut gleich, hatten aber unterschiedliche Tageszyklen von 22, 25 und 30 Stunden. Jede für sich gedieh gut und kam auch mit einer Reihe äußerer Rhythmen zurecht. Lebten die verschiedenen Bakterien jedoch gemeinsam in einer Kultur, setzte sich immer jene durch, deren innere Uhr der Wirklichkeit am nächsten kam: Im 22-Stunden-Tag die 22-Stunden-Mutante, im 30-Stunde-Tag die Bakterie, deren Rhythmus ohne äußere Reize mit 30 Stunden schwingt, und im normalen 24-Stunden-Tag der so genannte Wildtyp, der sich auch in der Natur findet und eine innere Uhr besitzt, die freilaufend auf 25 Stunden getaktet ist.

Das stolze Fazit der Forscher: „Dies ist die erste harte Demonstration in irgendeinem Organismus, dass ein zirkadianes System einen Fitness-Vorteil verschafft.“ Die Uhr der Cyanobakterien reguliert fast jeden Lebensbereich: die Energiegewinnung, die Zellatmung, die Aufnahme und Bindung wichtiger Lebensbausteine, die Synthese von Kohlenwasserstoffen und die Vermehrung per Zellteilung. Offenbar hat ihre Periodik eine Reihe von Vorteilen. Zum Beispiel wechseln sich dank Tagesuhr die Bindung von Stickstoff und die Photosynthese ab, was verhindert, dass der Sauerstoff, der bei der Photosynthese entsteht, ein empfindliches Enzym angreift, das für die Stickstoffbindung wichtig ist.

Sicher lassen sich die Erkenntnisse von dieser einfachen Lebensform nicht ohne weiteres auf komplexe Organismen übertragen. Doch sind sich Chronoforscher einig. Die biologischen Zeitmesser setzten sich wegen eben jener Eigenschaften durch, die sie ansatzweise schon bei den Bakterien zeigen: Sie optimieren den Zugang zu Nahrung und die Speicherung von Energie, helfen bei der Fortpflanzung und Entwicklung, steuern Zeit und Raum für effektive Ruhephasen und koordinieren den Ablauf innerer Prozesse.

Dass die biologischen Uhren fast nie hundertprozentig genau gehen, muss ebenfalls Vorteile mit sich bringen. Sonst hätten sich im Laufe der Evolution exaktere Zeitmesser durchgesetzt. Das flexible System aus ungefährer Rhythmik plus regelmäßiger Korrektur kommt den Anforderungen des Lebensraums Erde an seine Bewohner offenbar näher als eine starre Uhr. Jahreszeitliche Wechsel in der Tageslänge, der Einfluss von Ortsveränderungen oder andere natürliche Schwankungen lassen sich mit einem anpassungsfähigen System viel leichter kompensieren.

Die evolutive Optimierungsstrategie geht sogar so weit, dass die Uhren von Pflanzen derselben Art verschieden gehen, je nachdem an welchem Breitengrad sie seit Generationen wachsen. Im Jahr 2003 entdeckten US-Forscher*innen, dass die Ackerschmalwand Arabidopsis umso langsamer tickt, je weiter im Norden sie wächst. So kommt sie offenbar besonders gut mit den langen Hellphasen des Sommers zurecht, folgt dem Lauf der Sonne besser als mit einer schnellen Uhr, wie sie weiter südliche Ackerschmalwände besitzen. Dass sie die Tage trotzdem richtig taktet, dafür sorgt alle 24 Stunden die Morgendämmerung mit ihrem Impuls, das Uhrwerk etwas vorzustellen.

Mahl-Zeiten

Es ist einer dieser trocken warmen Juniabende im Süden Frankreichs, an denen man die Hektik des modernen Lebens leicht vergisst. Die Sonne ist gerade hinter den schroffen Felsen der Tarn-Schlucht verschwunden, die wenigen Wolken färben sich grau, das Wasser gurgelt freundlich. Da kommen sie. Jeden Abend um die gleiche Zeit beginnt die Kunstflugshow. Haufenweise Fledermäuse schwirren umher, flattern zwischen den Pappeln hindurch, kreisen hoch in der Luft, um kurz danach per Sturzflug zur Wasseroberfläche hinabzustechen. Fliegende Insekten sollten sich jetzt lieber rar machen. Gegen die wendigen, mit Ultraschall steuernden und Beute ortenden Säugetiere haben sie wenig Chancen. Doch die Show dauert nur eine halbe Stunde. Noch bevor die Dämmerung zu Ende geht, ziehen sich die Beutejäger in ihre Höhlen zurück. Satt und erschöpft von der anstrengenden Mahlzeit, die immerhin die Hälfte ihres eigenen Körpergewichts betragen kann, rüsten sie sich für die nächsten zwanzig Stunden Schlaf.

Die auffallend großen und schönen orange-schwarz gefärbten Schmetterlinge namens Monarchfalter sitzen in so großen Mengen auf den Ästen eines Baumes, dass diese vor lauter Insekten kaum noch zu sehen sind.
Monarchfalter wandern bis zu 3.600 Kilometer aus ganz Nordamerika in ein kleines Gebiet in der mexikanischen Sierra Madre, wo sie sich in Massen auf Bäumen versammeln.

Wie biologische Uhren gebaut sind. Lesen Sie jetzt den vierten und letzten Teil des Erbe&Umwelt Schwerpunkts zur Chronobiologie:Über den Dirigenten hinter den Augen, das clock-Gen, ein Pendel in den Genen, den Einfluss des Lichts, periphere Uhren, den Mittagsschlaf und den biologischen Kalender.

Der Erbe&Umwelt Schwerpunkt Chronobiologie im Überblick