Im ersten Teil des Erbe&Umwelt Schwerpunkts zur Chronobiologie geht es um die Geschichte dieser spannenden Wissenschaft: von einer wichtigen Entdeckung im Jahr 1729 bis zum Medizin-Nobelpreis im Jahr 2017.
Was die deutschen Biologen Jürgen Aschoff und Rütger Wever Mitte der sechziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts tief in den Berg unterhalb ihrer Institutsgebäude im bayrischen Andechs in den Berg hauen ließen, hielten auch wohlmeinende Zeitgenossen anfangs für eine Art Folterkammer. Drei Räume, abgeschirmt durch meterdicke Mauern, voneinander getrennt durch je zwei schalldichte, als Schleusen wirkende Türen, versorgt über unabhängige, niemals schwankende Strom- und Wassernetze, angenehm, aber immer gleich bleibend temperiert durch Klimaanlagen, bildeten ein unterirdisches Versuchsareal, das nicht von ungefähr schnell den Namen Bunker verpasst bekam.
Die beiden hinteren Räume waren mit allem ausgestattet, was ein Mensch zum Leben braucht: Bett, Tisch, Stuhl, Regal, Heimtrainer, Küche und Bad. Sie waren über den vorderen Raum erreichbar, der wiederum alles enthielt, was ein Verhaltensforscher damals zum Forschen brauchte: Schreiber, die mehr oder weniger heftig mit leisem Kratzen über dicke Papierrollen zuckten, elektronische Geräte mit einer Reihe verschiedenfarbiger, gelegentlich blinkender Kontrolllämpchen, Laborbücher und wenig Platz.
Fast immer lief gerade ein Experiment. Das Papier der Schreiber wickelte sich dann langsam aber unentwegt ab, maß gleichmäßig den Gang der Zeit und protokollierte, Linie neben Linie und bis ins letzte Detail, was in den beiden anderen Räumen geschah: Matratzenbewegungen, das An- und Ausgehen der Beleuchtung, das Betätigen der Kochplatten, das Drücken verschiedener Knöpfe, die zum Beispiel den Gang zur Toilette oder den Beginn einer Mahlzeit anzeigen.
In den Versuchsräumen fehlte alles, was die Zeit auch nur andeutungsweise takten konnte: Uhren, Fernseher, Radios, Tageslicht, Lärmquellen, Telefon, die morgendliche Zeitung, frische Frühstücksbrötchen und Besuche. Bis auf eines: der Mensch. Was nämlich in den berühmt gewordenen Andechser Bunkerexperimenten zuallererst bewiesen wurde, war, dass der Mensch eine biologische Uhr besitzt. Sie unterwirft unzählige seiner Körperfunktionen auf vielfältige Weise dem von ihr erzeugten Tagesrhythmus.
Leben im Bunker
Letztlich raubten Aschoff und Wever ihren Testpersonen den Zugang zur äußeren Zeit, um herauszufinden, ob sie ein inneres Gespür für Tag und Nacht besaßen. Dass sie ihre Proband*innen dabei keineswegs folterten, darauf legten sie größten Wert. Knapp dreißig Jahre zuvor hatten der amerikanische Schlafforscher Nathaniel Kleitman und Kollegen bereits unbeschadet für eine Woche isoliert in einer Höhle gelebt. Aschoff selbst hatte sich dem Experiment in einem Probe-Bunker schon 1961 für neun Tage gestellt und dabei vermutlich als einer der ersten registriert, dass das Leben ohne Zeitdruck durchaus schöne Seiten hatte. Viele der Bunkerbewohner*innen, die im Allgemeinen vier Wochen isoliert waren, äußerten sich im Nachhinein regelrecht begeistert über die intensive Erfahrung. Und dass Proband*innen den Versuch abbrachen, indem sie den nie verschlossenen Bunker verließen, kam nur selten vor.
Jürgen Zulley, emeritierter Schlafforscher an der Universität Regensburg, der ab 1974 viele Andechser Experimente begleitete, schreibt in seinem Buch „Unsere Innere Uhr“: „Von 1964 bis 1989 lebten 447 Versuchspersonen jeweils eine gewisse Zeit im Bunker und nahmen an 412 chronobiologischen Untersuchungen teil. 211 der Versuchspersonen lebten mehrere Wochen ohne Zeitinformation; dabei werden Schlafen und Wachen nicht mehr von außen koordiniert, sondern die Versuchsperson entscheidet autonom, wann sie was tut. Damit laufen Schlafen und Wachen ‚frei’, und folgerichtig nannten wir diese Versuche ‚Freilaufversuche’. Alle Versuchspersonen nahmen freiwillig teil.“
Die ersten Resultate, die noch aus den Vorversuchen stammten, publizierten Aschoff und Wever 1962. Schon damals war klar, es gibt eine „Spontanperiodik des Menschen bei Ausschluss aller Zeitgeber“, so der Titel der Arbeit. Wissenschaftler*innen in aller Welt ahmten die Experimente nach, isolierten sich bis zu sechs Monate in Versuchskammern oder tief unter der Erde gelegenen Höhlen. Noch heute gibt es ähnliche Isolationsexperimente an vielen Orten der Welt. Dort wird vermehrt nach Details geforscht. Denn die Grundlage dessen, was man über die innere Uhr des Menschen weiß, ist zumindest in groben Zügen seit den Andechser Versuchen bekannt.
Der auffälligste Tagesrhythmus des Menschen ist der Schlaf-Wach-Zyklus. Dass er von der biologischen Uhr gesteuert wird, erkannten die Wissenschaftler*innen schnell. Denn auch ohne Tagesschau und Wecker gingen die Menschen im Bunker irgendwann zu Bett und standen wieder auf. Sie schliefen in der Regel acht Stunden, also ein Drittel der Tageszeit, zwei Drittel blieben sie wach. Und doch stimmte der innere Takt der Versuchsteilnehmer nicht exakt mit der wahren Zeit überein. Genau besehen, wachten die meisten von ihnen jeden Tag ein wenig später auf, als ginge ihre Uhr leicht nach.
Dass wir im normalen Leben der Vorgabe der Umwelt folgen, ist auf die Vielzahl äußerer Eindrücke zurückzuführen, die unsere Uhr kontinuierlich und unbemerkt nachjustieren: klingelnde Wecker, Morgen- und Abenddämmerungen, das Duften der Kaffeemaschine, die Verabredung zum Kartenspielen, an- und abschwellender Verkehrslärm, das Zwitschern der Vögel, das Löschen des Lichts bei den Nachbarn und, und, und …
Im Bunker war alles anders: Durchschnittliche Proband*innen hatten eine „freilaufende Tagesperiodik“ von 25 Stunden, das heißt sie schliefen regelmäßig eine Stunde länger in den nächsten Tag hinein. Nach zwölf Tagen deckte sich ihre Wachphase mit der Nacht der Außenwelt. Und nach 24 Tagen hatten sie einen ganzen Tag weniger gelebt als der Rest der Menschheit. Weil die Versuchspersonen selbstverständlich nachhielten, wie viele Tage sie im Bunker zu sein glaubten und wussten, dass das Experiment nach beispielsweise 31 Tagen vorüber sein sollte, waren sie immer wieder überrascht, wenn ihnen die Freiheit zu einem vermeintlich früheren Zeitpunkt geschenkt wurde. Zulley erinnert sich an einen besonders entsetzten Fall: „Sie hatte gerade gefrühstückt, da kündigten wir ihr unseren Besuch an. Daraufhin fragte sie ganz gefasst, ob irgendetwas Schlimmes geschehen sei, schließlich sei doch der sechzehnte Oktober vereinbart, und heute sei erst der fünfzehnte.“
Die Frau sei richtig wütend geworden, als man ihr sagte, sie irre sich, und habe sich erst durch eine aktuelle Tageszeitung von ihrem Irrtum überzeugen lassen. Die Testpersonen vor Versuchsbeginn darüber aufzuklären, dass ihre biologische Uhr vermutlich nachgehen wird, kam für die Biolog*innen nicht in Frage. Das hätte die Resultate verfälschen können. Doch auch die vielen Forscher*innen, die sich in den folgenden Jahren überall auf der Welt für zum Teil extrem lange Zeit in Isolationskammern oder Höhlen begaben und sicher wussten, wie ihr Schlaf-Wach-Rhythmus aussehen würde, lebten Tage, die zwischen 24 und 26 Stunden lang waren.
Je länger die Isolation der mutigen Pionier*innen dauerte, desto chaotischer wurde meist ihr Schlaf-Wach-Rhythmus. Schon bei den vierwöchigen Experimenten in Andechs konnte es passieren, dass sich gegen Ende des Versuchs verkürzte oder verlängerte Zyklen einstreuten. Bei den mehrere Monate währenden Tests war dies die Regel. Gelegentlich wichen die Rhythmen sogar von einem Tag auf den anderen dramatisch von den vorher gelebten knapp über 24 Stunden währenden Zyklen ab. Die Proband*innen schliefen dann zum Beispiel nur noch alle 33 Stunden oder verkürzten ihren Tagesrhythmus auf 17 Stunden. Schon früh tauchte die Vermutung auf, dass hier käme womöglich die vererbte Neigung mancher Zeitgenossen zum Durchbruch, Nachtmensch oder Morgentyp zu sein.
Die Temperatur-Uhr
Aschoff und Wever beließen es indes nicht bei der Analyse des Schlaf-Wach-Rhythmus. Die Bunkerbewohner mussten regelmäßig Konzentrations-, Stimmungs- und Leistungstests absolvieren und mit einem „rektalen Temperaturfühler“ leben. Ein kleines Thermometer steckte in ihrem Allerwertesten und war über ein langes Kabel mit einer Steckdose an der Decke verbunden. Die meist nur anfangs als unangenehm empfundene Prozedur erwies sich als Segen für die Wissenschaft. Zwar war bereits bekannt, dass die Körpertemperatur des Menschen im Tagesablauf schwankt, nachts ein Minimum bei etwa 36,5 Grad Celsius und tags ein ungefähr um ein Grad höheres Maximum erreicht. Nicht belegt war jedoch, dass auch dieser physiologische Prozess von einer biologischen Uhr gesteuert wird.
Zu Beginn ihrer Isolation folgte der Temperaturverlauf der Versuchspersonen dem Schlaf-Wach-Zyklus. Er pendelte ebenfalls im Bereich von etwa 25 Stunden mit einem Tiefpunkt während des Schlafs und einem Höhepunkt während der Wachzeit. Wandelte sich aber das Schlafverhalten der Bunkerbewohner, zog ihre Temperatur nicht mit. Egal ob der Schlafrhythmus sich verkürzte, verlängerte oder unregelmäßig wurde – die Körpertemperatur schwang stur im knappen 25-Stunden-Rhythmus weiter. Damit war klar, es gibt mindestens zwei biologische Rhythmen des Menschen: „Der eine reguliert Stoffwechsel und Energiehaushalt des Organismus. Er gibt sich in tageszeitlichen Variationen der Körpertemperatur zu erkennen. Der andere bestimmt das Schlaf-Wach-Verhalten“, fasst Alfred Meier-Koll, ehemaliger Professor für Physiologische Psychologie an der Universität Konstanz, zusammen.
Beide Uhren scheinen recht stark aneinander gekoppelt zu sein, weshalb sie meist im Gleichklang schwingen. Unter den extremen Bedingungen des Bunkerlebens lösen sie sich jedoch manchmal voneinander und jede folgt ihrem eigenen Rhythmus. Die Temperatur-Uhr ist dabei wesentlich stabiler als das Pendel der Schlaf-Wach-Steuerung.
Eine solche „interne Desynchronisation“, wie Experten das Phänomen nennen, ist nicht gerade angenehm. Wer schon einmal eine „externe Desynchronisation“ erlebte, also ein Jetlag hatte oder Nachtschicht schieben musste, weiß, wie mühsam es ist, während des körperlichen Leistungstiefs wach sein zu müssen. In den Andechser Versuchen waren die Menschen, die aus dem rhythmischen Gleichklang geraten waren, zwar vermutlich ausgeschlafen, wenn ihre Körpertemperatur am Tiefpunkt war, sie waren aber dennoch unausgeglichener und weniger belastbar als sonst. Heute ist sogar bekannt, dass die Rhythmen mancher Menschen auch ohne Isolation oder Flugreisen auseinander driften. Der Chronobiologe Till Roenneberg, Professor an der Ludwig Maximilians Universität München, hat dafür den Namen soziales Jetlag gefunden. Das Risiko für Depressionen, Schlafstörungen und Stoffwechselkrankheiten ist bei ausgeprägtem sozialen Jetlag erhöht.
Wendung ohne Sonne
Im Jahre 1729 publizierte der französische Astronom Jean-Jaques d’Ortous de Mairan seine „Observation Botanique“ im Organ der königlichen Akademie der Wissenschaften zu Paris. Kurz und bündig berichtete er auf zwei Seiten über nichts geringeres, als den ersten Beleg für die Existenz biologischer Uhren überhaupt. Der Gelehrte hatte herausfinden wollen, wohin sich die Sonnenwende ohne Sonne wendet und das auch Heliotrop genannte Kraut, das für seine dem Licht folgenden Blattbewegungen bekannt ist, in dauerhafte Dunkelheit verbannt. Was er dann protokollierte, dürfte ihn selbst am allermeisten verwundert haben: Ohne jede Information über den tatsächlichen Sonnenstand öffnete die Pflanze weiterhin morgens ihre Blätter um sie am Abend zu verschließen – wochenlang und ganz so, als stünde sie nach wie vor im Licht durchfluteten Garten des Astronomen.
Was, wenn nicht ein unabhängiger, den Pflanzen innewohnender Zeitmesser kann festlegen, in welchem Rhythmus sich die Blätter bewegen?, fragte der Forscher völlig zu Recht. Und ebenso völlig zu Recht gilt de Mairan heute als der Entdecker eines grundlegenden Phänomens des Lebens: der Fähigkeit von Organismen, die Zeit zu messen, sich mit Hilfe innerer Uhren auf Sonnenauf- und untergänge vorzubereiten, sich mit anderen Lebewesen pünktlich zu verabreden, ganz allgemein im Einklang mit den Rhythmen der Natur zu leben.
Wie wichtig die Wissenschaft ist, die der französische Astronom damals lostrat, begreifen die Menschen aber erst in der modernen Zeit. Heute, wo die 24-Stunden-Gesellschaft, elektrisches Licht, Fernreisen und Schichtarbeit ein Leben im Einklang mit den physikalischen Tagen, Nächten und Jahren immer mehr erschweren, wo sich der Mensch den Zugang zu den Rhythmen der Natur zunehmend beraubt, wird klar, welche fatalen Folgen ein Leben gegen die Zeit haben kann. Heute weiß man, dass in jedem Menschen viele Uhren ticken, dass es gefährlich werden kann, wenn sie gegeneinander laufen oder man ihre Signale ignoriert. So kann die Lehre von den inneren Rhythmen – die absolut gar nichts mit der Scharlatanerie der starren, per Geburtsdatum lebenslang fest gelegten, so genannten Biorhythmik zu tun hat – helfen, Krankheiten zu heilen oder zu verhindern, sie kann dazu beitragen, das Arbeitsleben vernünftiger zu organisieren, das Lernen zu erleichtern oder einfach mehr Verständnis für die Umwelt zu entwickeln.
Die Zeitgenossen von de Mairan ahnten davon nichts. Erst dreißig Jahre später wiederholte der Biologe Henri-Louis Duhamel du Monceau das Experiment. Er zeigte zudem, dass es sogar in einem gleichmäßig beheizten Raum funktionierte. Temperaturschwankungen schienen die Blattbewegungen also auch nicht auszulösen. Im neunzehnten Jahrhundert machte der Schweizer Botaniker Alphonse de Candolle noch genauere Experimente mit Mimosen und das Rätsel um die innere Uhr noch ein wenig komplizierter. Jeden Morgen klappten die sensiblen Fiedern ein wenig früher auf als am Tag zuvor. Doch auch zu de Candolles Zeiten behielten die Zweifler die Oberhand: Dass die Pflanzen ein eigenes Zeitgefühl haben, war für sie schon unglaubwürdig genug, dass dieses nun auch noch vorgehen sollte, schien ihnen geradezu lächerlich.
Es war indes kein Geringerer als der Begründer der Evolutionstheorie, Charles Darwin, der 1880 aus eigenen Experimenten und theoretischen Überlegungen schloss, die Blattbewegungen gehorchten tatsächlich einem angeborenen Zeitschema, das auch ohne äußere Reize weiterläuft. Eine Mimose, die sich dank eigener Uhr womöglich schon vor den ersten physikalischen Anzeichen auf den kommenden Tag vorbereitet, sei im Vorteil gegenüber stur reagierenden Artgenossen, behauptete Darwin. Ihre Nachkommen setzten sich im Sinne seiner Evolutionstheorie langfristig durch. Auch – oder sogar gerade dann, wenn die Pflanzenuhr ein wenig vorgehe.
Die Biologenzunft ließ sich nicht beeindrucken. Bis kurz vor der Zeit der Andechser Bunkerexperimente glaubte die Mehrheit der Naturwissenschaftler*innen, Lebewesen verhalten sich nur deshalb rhythmisch, weil sie auf rhythmische Signale ihrer Umwelt reagieren. Wer das bezweifle, habe nur noch nicht die entscheidenden Reize entdeckt.
Heute weiß man, dies ist nur die halbe Wahrheit: Zwar reagieren fast alle Organismen gezielt auf die täglichen Wechsel in ihrer Umgebung. Doch darüber hinaus besitzen sie biologische Pendel, die auf molekularer Ebene hin und her schwingen, sie unentwegt und unauffällig vorausschauend handeln lassen und ihnen auch dann sagen, welcher Tagesordnungspunkt an der Reihe ist, wenn äußere Reize ausbleiben. Erst in der Mitte des zwanzigsten Jahrhunderts setzt sich die Erkenntnis durch, dass all die unzähligen periodischen Lebensvorgänge über die bis dato eher anekdotisch berichtet wurde, von physiologischen Uhren oder gar Kalendern gesteuert werden.
Seitdem widmet sich dem Phänomen ein eigener Forschungszweig: die Chronobiologie. Sie ist eine der expandierendsten Wissenschaften, und seit Jahren häufen sich die Publikationen in den angesehenen Magazinen, etwa dem britischen Journal Nature oder dem US-amerikanischen Fachblatt Science, die ein weiteres Stück zur Lösung des noch immer großen Rätsels biologischer Zeitmessung beitragen. Für einige der wichtigsten dieser Erkenntnisse gab es im Jahr 2017 sogar den Medizin-Nobelpreis.
Blumenuhr und Vogelkalender
Wenn die Kelabits wissen wollen, welcher Monat gerade ist, schauen sie zum Himmel. Weil bei ihnen so viele verschiedene Zugvögel leben, kamen die Bewohner von Sarawak in Borneo einst auf die Idee, die Jahreszeit per Vogelkalender zu bestimmen. Das funktioniert, weil jedes Jahr zur gleichen Zeit die gleichen Vögel wiederkehren.
Zur Perfektion entwickelte dieses Prinzip, die Zeit mit Hilfe der Natur zu messen, vor 250 Jahren der berühmte schwedische Botaniker und Taxonom Carl von Linné, auch Linnaeus genannt. Weil er beobachtete, dass sich die Blüten einzelner Pflanzenarten immer zur gleichen Tageszeit öffnen, dass die Öffnungszeiten verschiedener Arten aber sehr unterschiedlich sein können, legte Linné die erste Blumenuhr an. Von sechs Uhr morgens bis sechs Uhr abends genügte ihm von da an ein kurzer Gang in den Garten, um die Tageszeit zu bestimmen. War die Weiße Seerose bereits offen, das Johanniskraut aber noch nicht, war es etwa sechs Uhr morgens, öffnete sich gerade die Ringelblume, war es schon neun, schloss sie sich hingegen, war es Mittagessenszeit. Das Schließen der Roten Bibernelle gegen zwei Uhr mittags nutzte Linné vielleicht als Siesta-Signal, während sich die Nachtkerze immer zwischen fünf und sechs Uhr abends öffnete und den akribischen Forscher womöglich dazu ermahnte, sein Tagwerk abzuschließen.
So viel natürliche Genauigkeit empfindet man zurückblickend als überdeutliches Indiz für innere Uhren. Doch die wenigen Biologen, die das bemerkten, fanden kaum Gehör. Erst vor rund hundert Jahren wurden sie hartnäckiger. Und immer überzeugender wurden ihre Resultate: 1906 veröffentlichten S. Simpson und J.J. Galbraith, dass die Körpertemperatur von Affen in gleichbleibender Umgebung auf täglich wiederkehrende Art schwankt. Und die biologischen Zeitmesser scheinen sogar das Verhalten von Tieren zu beeinflussen, entdeckte der amerikanische Biopsychologe Curt Richter 1922. Er zeigte, dass Ratten ihre immer zur gleichen Nachtzeit auftretenden Aktivitätsschübe ohne äußeren Auslöser beibehalten.
Richters Kollege Maynard Johnson entdeckte 1939 dank ähnlicher Experimente mit Mäusen, dass die innere Uhr der Tiere – wie die Blätteruhr der Mimosen – nicht exakt im 24-Stunden-Rhythmus schwingt: „Die aktive Phase ereignet sich nachts, kann aber in andauernder Dunkelheit an jede beliebige Tages- oder Nachtzeit verschoben werden. Das zeigt, dass sie unabhängig ist von irgendeiner bislang nicht entdeckten oder nicht kontrollierten Variablen aus der Umwelt.“
Eines der deutlichsten Indizien für die Existenz biologischer Uhren lieferten 1929 – ohne es zu ahnen – der angesehene deutsche Verhaltensforscher Karl von Frisch und seine Kollegin Ingeborg Beling. Sie gaben Bienen immer nachmittags an einem bestimmten Ort Futter und registrierten erfreut, dass die Insekten sich den Zeitpunkt merken konnten: Nur zur trainierten Zeit kehrten die Nektarsammler an den Futterplatz zurück und suchten dort auch dann nach Nahrung, wenn schon länger keine mehr geboten wurden.
Auch die ersten schlüssigen Hinweise auf die Existenz eines inneren Jahreskalenders stammen aus dieser Zeit. Der deutsche Pflanzenphysiologe Erwin Bünning entwarf in den 1930er Jahren ein Modell, nachdem Pflanzen mit Hilfe einer physiologischen Uhr, die die Tageslänge abschätzt, bestimmen können, ob Tage kürzer oder länger werden. Mit dieser Information wüssten die Pflanzen auch über die Jahreszeit Bescheid und könnten zur rechten Zeit austreiben, blühen oder sich auf den Winter vorbereiten, so der weitsichtige Bünning, der mit dieser These Recht behalten sollte. Heute – 90 Jahre später – erforschen Wissenschaftler sogar den Jahresrhythmus des menschlichen Immunsystems.
Der kanadische Ornithologe William Rowan klärte ein ähnliches Prinzip bei Vögeln auf: Im Winter des Jahres 1925 simulierte er so genannten Junkos, mit Spatzen verwandten Zugvögeln, künstlich wachsende Tageslängen, wie sie eigentlich erst im Frühjahr auftreten. Die Tiere reagierten, als sei die Zeit tatsächlich reif. Männliche Vögel begannen zu singen und ihre inneren Geschlechtsorgane wuchsen. Alle Tiere speicherten Fett, um sich auf den kraftraubenden Flug ins Sommerquartier vorzubereiten und zogen schließlich los – obgleich es in Wahrheit noch tiefer Winter war. Damit belegte Rowan letztlich zwar nur, dass die Tageslänge ein wichtiges Jahreszeitensignal für Zugvögel ist, doch er dachte weiter: Jene Vögel, die im Norden brüten und am Äquator überwintern, an dem die Tageslänge rund ums Jahr gleich bleibt, könnten nur zur rechten Zeit zurück finden, wenn „ein interner Faktor involviert ist, ein physiologischer Rhythmus“, der ihnen trotz der ausbleibenden Information über länger werdende Tage verrät, dass hoch im Norden bald der Frühling ausbricht.
Die Geburt der Chronobiologie
Den Durchbruch schaffte die Lehre von der inneren Uhr aber erst in den fünfziger und sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts. Der deutsche Verhaltensforscher Gustav Kramer hatte 1952 gerade nachgewiesen, dass Stare sich während ihrer Wanderung am Sonnenstand orientieren und dabei sogar die kontinuierliche Bewegung des Himmelskörpers ausgleichen, da folgerte er scharfsinnig, die Tiere müssten für diese Leistung „eine biologische Uhr“ besitzen und prägte damit den bis heute gängigen Begriff für die physiologische Zeitmessung.
Sein Kollege Klaus Hoffmann zeigte anschließend sogar, dass die Uhr von Eidechsen auch dann vernünftig tickt, wenn sie in ihrem Leben nie einen echten Tag gesehen haben und dass sie sich anpasst, wenn die Tiere an einen anderen Ort versetzt werden. Der Nachweis solcher Eigenschaften – die Fähigkeit einer inneren Uhr, ohne äußere Reize und ohne Anstoß weiter zu laufen, sich gleichzeitig aber flexibel an Änderungen der Umwelt anzupassen – sollte wenig später zum festen Bestandteil des Grundkonzepts der neu gegründeten Wissenschaft zur Erforschung der biologischen Uhren werden.
1960 trafen sich etwa 150 der weltweit verstreuten Erforscher physiologischer Zeitmesser zum ersten internationalen Symposium über biologische Rhythmen in Cold Spring Harbor im US-amerikanischen Bundesstaat New York. Zwar stritten sie auch dort noch darüber, ob die beobachteten Rhythmen tatsächlich im Inneren der Lebewesen generiert werden. Doch war die gewaltig angewachsene Datenmenge aus dem gesamten Tier- und Pflanzenreich mittlerweile so überzeugend, dass die meisten Skeptiker klein bei gaben.
Der Vortrag von Colin Pittendrigh, einem 40-jährigen Biologen aus Princeton, USA, war besonders beeindruckend: „In diesem Stadium des Zweifels und der Fragen, ertönte Pittendrighs tiefe, donnernde Stimme, überzeugend und klar“, erinnert sich die US-amerikanische Chronobiologin Patricia DeCoursey. „Wie ein Redner aus dem alten Rom“, habe der Biologe, der bis dato durch viele Studien über den Tagesrhythmus von Insekten auf sich aufmerksam gemacht hatte, die Argumente dafür zusammengetragen, dass Organismen die Zeit von innen heraus messen können. Plötzlich hätten auch die letzten der Anwesenden begriffen, „Biologische Uhren sind ein Kernelement des Lebens“.
In dieser Zeit – und nicht zuletzt in Cold Spring Harbor selbst – erarbeiteten die Forscher eine Basis aus Regeln, Prüfsteinen und Konzepten, mit deren Hilfe sie in Zukunft gezielt die Mechanismen der biologischen Rhythmen und ihre Verbreitung analysieren wollten. Sie prägten Fachbegriffe wie zirkadian für periodische Abläufe, die sich ungefähr (lateinisch: cirka) jeden Tag (dies) wiederholen. Nach dem gleichen Strickmuster entstanden die Begriffe zirkalunar, für Perioden, die etwa einem Mondzyklus folgen und zirkannual für ungefähre Jahresrhythmen. Der deutsche Ausdruck Zeitgeber fand als chronobiologischer Terminus sogar Eingang in die englische Sprache. Er beschreibt ein Signal, das die biologischen Uhren vor- oder nachstellt, ihnen also hilft, die eigene, immer etwas ungenau gehende Periodizität exakt dem tatsächlichen äußeren Rhythmus anzugleichen.
Dem Einfluss solcher Zeitgeber, etwa dem Sonnenaufgang, verdanken es die Mimosen, dass sie ihre Blätter tagtäglich kurz vor Morgengrauen öffnen, obwohl ihre Uhr auf sich selbst gestellt leicht vorgeht. Und die Eidechsen könnten sich ohne Zeitgeber nicht an einen Ort gewöhnen, an dem die Sonne zur ungewohnten Zeit aufgeht. Selbst der Mensch müsste nach einer Reise etwa von Asien nach Europa im dauerhaften Jetlag leben – ohne Aussicht auf Erholung.
Neben Pittendrigh und dem Pionier der Erforschung innerer Rhythmen bei Pflanzen, Erwin Bünning, brillierte in dieser Zeit ein weiterer deutscher Physiologe: Jürgen Aschoff, der Vater der Bunkerexperimente. Die drei gelten bis heute als das „Triumvirat der Chronobiologie“ und haben den Großteil des Fundaments der jungen Wissenschaft eigenhändig gegossen. Seit 1958 war Aschoff einer der Direktoren am Max-Planck Institut für Verhaltensphysiologie nahe des Starnberger Sees in Andechs und Seewiesen. In seinen Laboratorien, rings um ein schlossartiges Haus bei Andechs gelegen, lernten viele der Wissenschaftler, die auch heute noch zur Erforschung biologischer Rhythmen entscheidend beitragen. Renommierte Kollegen aus aller Welt schauten als Gäste vorbei. „Andechs wurde das Mekka der Chronobiologen“, erinnert sich der Inder Maroli Chandrashekaran in seinem Nachruf auf Aschoff, der 1998 im Alter von 85 Jahren starb.
Kein Leben ohne Uhr
In Andechs wurden nicht nur Menschen untersucht, auch Vögel, Ratten, Eidechsen, Hamster, Affen und viele Tiere mehr. Sie sollten so viel wie möglich über ihre biologischen Zeitmesser verraten. Die Forscher*innen fragten, wie sich innere Uhren unbeeinflusst verhalten und wie sie gebaut sind. Sie wollten wissen, was genau sie mit der Außenwelt synchronisiert, wie diese Anpassung funktioniert und welche Lebensabläufe von innen heraus getaktet werden. Und sie wollten herausfinden, welche Organismen überhaupt biologische Uhren besitzen.
In diesen Jahren war die globale Gemeinde der Chronobiolog*innen noch klein, doch sie bekam Zulauf aus vielen verschiedenen Fachgebieten: Verhaltensforscher*innen entdeckten, dass ein Experiment zu verschiedenen Tageszeiten unterschiedliche Ergebnisse bringt. Endokrinolog*innen wollten wissen, wieso Tiere Hormone im Tages- oder Jahresrhythmus regulieren. Physiolog*innen interessierten sich für rhythmische Schwankungen des Stoffwechsels. Mathematiker*innen begeisterten sich für Algorithmen, die das Zusammenspiel von Oszillatoren berechneten und die Experimente der Biolog*innen simulieren konnten. Später kamen Molekularbiolog*innen, Neurowissenschaftler*innen und Genetiker*innen hinzu, um Sitz, Bau und Funktion der Zeitmesser detailliert aufzuklären.
An immer mehr Zentren etablierte sich die neue Wissenschaft. Die Datenmenge wuchs zügig an. Bald war klar: Fast überall wo man nach einer physiologischen Uhr suchte, fand man sie auch. Das Pantoffeltierchen fühlt sich zum Beispiel nicht zu jeder Tageszeit gleich stark vom Licht angezogen. Und ein anderer Einzeller, die zum Meeresleuchten beitragende Leuchtalge Gonyaulax, setzt ihren tagesperiodischen Aktivitätszyklus auch in totaler Isolation unbeirrt fort. Als sei nichts geschehen glüht sie einmal täglich für fast zwei Stunden kurz vor Mitternacht besonders stark und sendet je nach Tageszeit unterschiedlich heftige Leuchtblitze aus.
Sogar der Schlauchpilz Neurospora, allen Nicht-Fungolog*innen eher als Brotschimmel denn als biologisches Versuchsobjekt vertraut, tickt nach einem inneren Pendel. Zwar streckt er sich kontinuierlich in die Länge, doch seine Sporen tragenden Auswüchse, mit denen er sich ungeschlechtlich vermehrt, gedeihen nur dann, wenn seine Uhr ihm die Erlaubnis gibt: von der späten Nacht bis in den frühen Morgen hinein.
Natürlich sind auch die anderen Mehrzeller im Besitz biologischer Uhren: Pflanzen steuern damit nicht nur Blatt- und Blütenbewegungen, sondern auch das Öffnen und Schließen der Spaltöffnungen in der Blattoberfläche, die Bewegung der Chloroplasten, also der Zellbestandteile, die das Licht verarbeiten, und eine Reihe wichtiger Stoffwechselvorgänge, wie die Photosynthese-Aktivität und die nächtliche Speicherung von Kohlendioxid. Viele nachtaktive Tiere wissen im Vorhinein, wann die Abenddämmerung kommt, selbst wenn sie in dunklen Höhlen den Tag verbringen. Und viele tagaktive Tiere machen per Programm Mittagspause, weil sie der größten Hitze entgehen wollen. Oder sie bereiten sich exakt dann auf die Jagd vor, wenn in absehbarer Zeit ihre Beute zahlreich unterwegs sein wird.
Auch bei Fruchtfliegen regelt die innere Uhr den zyklischen Wechsel aus Aktivitäts- und Ruhephasen. Weitaus spannender ist aber eine andere Funktion: Die Insekten schlüpfen dank eigener Tagesrhythmik immer nur im Morgengrauen aus der Puppe, die in der Erde eingebuddelt ist. Dieser Zeitpunkt ist ideal, denn die Erde ist noch feucht, es ist nicht zu kalt und es sind nur wenige hungrige Insektenjäger unterwegs. Mit der Beobachtung dieses Verhaltens konnte Colin Pittendrigh schon 1954 eines der wichtigen Gesetze der Chronobiologie nachweisen: Er entdeckte, dass die Fliegen auch unabhängig von der experimentell veränderten Außentemperatur immer zur gleichen Zeit schlüpfen. Die biologische Uhr lässt sich also, anders als die meisten physiologischen Abläufe, kaum durch Wärme beschleunigen oder Kälte verlangsamen. Erst diese Temperaturunabhängigkeit macht sie tatsächlich zu einem ernst zu nehmenden Zeitmesser. Denn was taugt zum Beispiel eine Armbanduhr, die plötzlich schneller geht, wenn man bei der Winterwanderung in eine geheizte Hütte einkehrt?
Pittendrighs Experiment ist indes auch aus einem anderen Grund erwähnenswert: Es verdeutlicht, dass die biologische Rhythmik nicht nur täglich wiederkehrende Abläufe steuert, sondern auch Zeitfenster für Entwicklungsschritte öffnet, die nur einmal im Leben ablaufen. So fanden die Forscher auch bei vielen Einzellern, dass sie sich zu einer bestimmten Tageszeit bevorzugt teilen, sie wiesen nach, dass viele Säugetiere meist nachts geboren werden und dass manche Tiere oder Pflanzen ganz gezielt nach einer fest gelegten Zahl von Tagen oder sogar Jahren erwachsen werden oder blühen, um sich fortzupflanzen und danach zu sterben.
Die allermeisten Beispiele für innere Uhren fanden die Chronobiolog*innen natürlich bei Wirbeltieren: Fische, Vögel, Fledermäuse, Flughörnchen, Wühlmäuse, Ratten, Affen und letztlich sogar der Mensch teilen ihr Tagwerk auch isoliert in regelmäßige, gleich bleibende Phasen ein. Darüber hinaus fanden die Forscher*innen eine wachsende Zahl innerer Vorgänge, die der Tagesrhythmik folgen: Nicht nur die Körpertemperatur schwankt, auch die Urinproduktion, das Zellwachstum, die Hormonausschüttung, der Blutdruck und so weiter. „In Säugetieren existieren mehr Eigenschaften, die von der Uhr kontrolliert werden als man sich vorstellen kann“, folgert der Molekularbiologe Jay Dunlap, der sich an der Dartmouth Medical School in Hanover, USA, auf die Erforschung biologischer Zeitmesser spezialisiert hat.
Selbst den Jahresrhythmen wendeten sich die Biolog*innen zu und bestätigten schon bald die theoretischen Überlegungen von William Rowan und Erwin Bünning, dass viele Tiere und Pflanzen einen inneren Kalender haben müssen: Erdhörnchen, die mehrere Jahre unter gleich bleibenden Bedingungen gehalten wurden, fielen trotzdem in etwa einjährigen Abständen in Winterschlaf. Und Eberhard Gwinner, im Jahr 2004 verstorbener Verhaltensforscher und ehemaliger Leiter des Andechser Instituts, gelang es, afrikanische Schwarzkehlchen mehr als zwölf Jahre ohne Information über die Jahreszeit zu halten. Die Vögel setzten ihren typischen Jahresrhythmus aus Mauser, Hormonschwankung und Wachstum innerer Geschlechtsorgane nahezu gleichbleibend fort.
Lange Zeit dachten die Expert*innen jedoch, nur die höher entwickelten so genannten Eukaryoten besäßen eine Uhr. An Prokaryoten, also primitiven Einzellern wie Bakterien, die noch keinen Zellkern haben, sei diese Entwicklung im Laufe der Evolution vorüber gegangen, vermutlich hätten sie auch gar keine Uhren nötig. Ein voreiliges Urteil: 1986 belegten zwei Publikationen über das Cyanobakterium Synechococcus auch für diese primitiven Wesen die Existenz unabhängigen tagesrhythmischen Verhaltens. Die Organismen, die ihre Anzahl in weniger als einem Tag verdoppeln können, speichern trotzdem zu bestimmten Tageszeiten deutlich mehr Stickstoff als zu anderen. Auch die Zellteilung scheint immer zu einer bevorzugten Tageszeit stattzufinden. Und damit nicht genug: Als Forscher*innen viele verschiedene Gene der Bakterien so manipulierten, dass sie immer dann einen Leuchtstoff produzierten, wenn sie aktiv waren, leuchteten sämtliche Bakterien im gleichen regelmäßigen Tagesrhythmus auf. Nicht nur einzelne Gene sondern das gesamte Erbgut der Wesen scheint unter eigener chronologischer Kontrolle zu stehen.
Das einzige Lebens-Reich, in dem bis heute keine biologische Uhr gefunden wurde, sind die besonders urtümlichen Archaebakterien. Weil aber auch schon die Cyanobakterien zu den ältesten Organismen überhaupt zählen, lässt sich mit Fug und Recht behaupten, dass die erste Uhr fast ebenso alt ist, wie das Leben selbst. Vor etwa dreieinhalb Milliarden Jahren haben die Vorfahren heutiger Cyanobakterien gelebt. Seitdem entstanden innere Uhren „häufiger als einmal aber nicht dutzendfach“, schätzt Jay Dunlap. Seit kurzem wissen die Chronobiolog*innen sogar, dass die Zeitmessung bei allen höheren Organismen ähnlich funktioniert. Und es scheint für das Überleben so wichtig zu sein, dass sogar so verschiedene Wesen wie die Maus und die Fruchtfliege, deren Stammbäume immerhin seit 700 Millionen Jahren voneinander unabhängig wachsen, eine Reihe verwandter, am biologischen Uhrwerk beteiligter Gene besitzen. Die moderne innere Uhr des Menschen wurde also zu einer Zeit erfunden, als seine Vorfahren noch nicht entschieden hatten, ob sie sich zu Insekten oder Wirbeltieren fortentwickeln sollten.
Dieser Text ist dem Buch Das Uhrwerk der Natur von Peter Spork entnommen und wurde wo nötig sanft aktualisiert. Im Jahr 2014 erschien zudem Sporks zweites Buch zum Thema: Wake up! Aufbruch in eine ausgeschlafene Gesellschaft.
Warum ist alles Leben irgendwie getaktet? Lesen Sie weiter im Teil zwei des Erbe&Umwelt Schwerpunkts zur Chronobiologie: Über die Musik der Körper-Rhythmen, das menschliche 90-Minuten-Hoch, Tages- und Jahreszyklen, das Rätsel um die Monduhren, Zikaden, die mit Primzahlen rechnen, und die Lebensuhr.
Der Erbe&Umwelt Schwerpunkt Chronobiologie im Überblick