Das Uhrwerk der Natur E-Book

Peter Spork

• Herausgeber: ROWOHLT E-Book
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2011

Seitenzahl: 230

Beschreibung

Fast alle Organismen sind beherrscht von zyklischen Prozessen: Nerven feuern fünfmal pro Sekunde, Bakterien teilen sich im Tagestakt, Würmer paaren sich in einer bestimmten Vollmondnacht, Zikaden einer Art verpuppen sich alle zugleich nach 17 Jahren. Auch Menschen kennen Tageshochs und Jahrestiefs, werden krank, wenn ihre Rhythmen aus dem Takt geraten – sind Eulen oder Lerchen. In diese beiden Kategorien werden sie von Chronobiologen unterteilt: Die Lerchen sind Frühaufsteher, Eulen bleiben abends länger fit. Wie stark innere Uhren das Leben auf der Erde strukturieren und was Forscher in den letzten Jahren über biologische Uhrwerke herausfanden, zeigt Peter Spork mit anschaulichen und kuriosen Beispielen. Fast nebenbei entdeckt der Leser eine völlig neue Seite von sich selbst.

Leseprobe

Peter Spork

Das Uhrwerk der Natur

Chronobiologie – Leben mit der Zeit

Inhaltsverzeichnis

Vorwort

Kapitel 1 Erkenntnis aus der Isolation – wie die Biologen auf die Zeit kamen

Leben im Bunker

Die Temperatur-Uhr

Wendung ohne Sonne

Blumenuhr und Vogelkalender

Die Geburt der Chronobiologie

Kein Leben ohne Uhr

Kapitel 2 Vom Herzschlag bis zum Winterblues – das Leben ist getaktet

Im Körper klingt Musik

Das 90-Minuten-Hoch und andere ultradiane Rhythmen

Mit Tag und Jahr

Das Rätsel um die Monduhren

Zikaden rechnen in Primzahlen

Die Lebensuhr

Kapitel 3 Leben mit der Wiederkehr – warum es innere Uhren gibt

Gutes Timing wird belohnt

Mahl-Zeiten

Rechtzeitige Winterstarre

Navigieren mit der Bio-Uhr

Unpünktliche sterben aus

Kinder kommen nachts

Kapitel 4 Das Uhrwerk der Natur – wie biologische Uhren gebaut sind

Der Dirigent hinter den Augen

Maus und Fliege haben clock

Das Pendel in den Genen

Uhren überall

Wie das Licht zur Uhr kommt

Eine Uhr für den Mittagsschlaf

Der biologische Kalender

Kapitel 5 Die dunkle Seite des Lebens – Chronobiologen enträtseln den Schlaf

Das nächtliche Auf und Ab

Was Einstein und Goethe gemeinsam haben

Die Wiederentdeckung der Siesta

Eule oder Lerche?

Schulbeginn um neun

Lernen im Schlaf

Kapitel 6 Alles hat seine Zeit – die Rhythmen des Körpers

Warum man nachts leichter friert

Die Hormonuhr

Essen und Verdauen

Zeit für Leistung

Der Einfluss des Mondes

Die Medizin entdeckt die Zeit

Kapitel 7 Leben zur falschen Zeit – gestörte Zyklen und ihre Therapie

Schlechter Schlaf und warme Socken

Heilen mit Licht

Melatonin: eine Wunderdroge?

Jetlag: Wenn der Tag zur Nacht wird

Der Ärger mit der Sommerzeit

Schichtarbeit: Wenn die Nacht zum Tag wird

Krank durch unkoordinierte Zyklen

Die Suche nach dem Gleichgewicht

Dank

Anhang

Literatur

Bildquellen

Register

Vorwort

Leben ist Rhythmus. Leben ist Musik. Die Erde ist durchdrungen vom Lauf der Gestirne, der die Zeit in Jahre, Monate und Tage teilt. Seine Takte vorauszuahnen, ist für Organismen ein unschätzbarer Vorteil, sodass fast jedes Wesen sein physiologisches Geschehen einem zyklischen Muster unterwirft. Es hilft, bei Sonnenaufgang schon aktiv zu sein oder vor dem ersten Frost in Winterschlaf zu fallen. Und natürlich folgt auch der Mensch unbewusst den Rhythmen seiner unzähligen inneren Uhren, die allesamt verbunden sind zu einem hochkomplexen Räderwerk des Zeitgefühls.

Chronobiologen erkunden, wie, wo und warum das Uhrwerk der Natur so tickt, wie es tickt. Ihre lawinenartig angewachsenen Erkenntnisse begreifen heißt sein Leben ändern: zu bestimmten Zeiten bewusst das Tageslicht suchen, es in anderen Momenten vielleicht meiden, mit Jetlag umgehen lernen, seine Neigung zum Langschläfer verstehen und ihr sinnvoll nachgeben oder Kindern den Schulalltag erleichtern. Selbst die Medizin profitiert: Neue Therapien entstehen, die den Faktor Zeit einbeziehen. Krankheiten werden als Störungen des chronobiologischen Systems erkannt.

Chronoforscher haben allen Grund, selbstbewusster zu werden. Im Herbst 2003 trafen sie sich zum ersten Weltkongress für Chronobiologie in Sapporo, Japan. Die Zeit war reif. Und sie ist auch reif für dieses Buch, das die enorme Vielschichtigkeit des Lebens mit der Zeit zusammenfasst – vom Einzeller bis zum Menschen, vom Sekundenbruchteil einer Nervenerregung bis zur Jahrzehnte taktenden Lebensuhr.

Kapitel 1

Erkenntnis aus der Isolation –

wie die Biologen auf die Zeit kamen

Was die deutschen Physiologen Jürgen Aschoff und Rütger Wever Mitte der 1960er Jahre tief in den Berg unterhalb ihrer Institutsgebäude im bayrischen Andechs 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 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 über dicke Papierrollen kratzten, 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 bis ins letzte Detail, was in den beiden anderen Räumen geschah: Matratzenbewegungen, das An- und Ausgehen der Beleuchtung, das Betätigen der Kochplatten oder das Drücken verschiedener Knöpfe, die zum Beispiel den Gang zur Toilette oder den Beginn einer Mahlzeit anzeigten.

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 bewiesen wurde, war, dass der Mensch eine biologische Uhr besitzt. Dem von ihr erzeugten Tagesrhythmus sind unzählige unserer Körperfunktionen unterworfen.

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 Probanden dabei keineswegs folterten, darauf legten sie größten Wert. Knapp 30Jahre 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 hat. Viele der Bunkerbewohner, die im Allgemeinen vier Wochen isoliert waren, äußerten sich im Nachhinein regelrecht begeistert über die intensive Erfahrung. Und dass ein Proband den Versuch abbrach, indem er den nie verschlossenen Bunker verließ, kam nur selten vor.

Jürgen Zulley, prominenter Schlafforscher an der Universität Regensburg, der ab 1974 viele Andechser Experimente begleitete, schreibt in seinem Buch Unsere Innere Uhr: «Von 1964 bis 1989 lebten 447Versuchspersonen 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 waren sie überzeugt, dass es eine «Spontanperiodik des Menschen bei Ausschluss aller Zeitgeber» gibt, so der Titel der Arbeit. Wissenschaftler 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 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: Der durchschnittliche Proband hatte eine «frei laufende Tagesperiodik» von 25Stunden, das heißt, er schlief regelmäßig eine Stunde länger in den nächsten Tag hinein. Nach zwölf Tagen deckte sich seine Wachphase mit der Nacht der Außenwelt. Und nach 24Tagen hatte er einen ganzen Tag weniger gelebt als der Rest der Menschheit. Weil die Probanden selbstverständlich nachrechneten, wie viele Tage sie im Bunker zu sein glaubten, und wussten, dass das Experiment nach beispielsweise 31Tagen vorüber sein sollte, waren sie immer wieder überrascht, wenn ihnen die Freiheit zu einem vermeintlich früheren Zeitpunkt geschenkt wurde. Zulley erinnert sich an eine besonders entsetzte Versuchsperson: «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.»

Sechs Männer, die drei bis sechs Monate ohne äußere Einflüsse in einem Bunker oder in Höhlen lebten, hatten für die meiste Zeit ihrer Isolation einen Schlaf-Wach-Rhythmus von etwas mehr als 24Stunden. Die schwarzen Balken zeigen die Schlafphasen. Jede Zeile geht über zwei Versuchstage. Jeder Tag ist zunächst in der rechten Spur dargestellt und wird eine Zeile tiefer links wiederholt. Bei einem exakten 24-Stunden-Rhythmus würden die Balken genau untereinander liegen.

Die Frau sei richtig wütend geworden, als ihr die Forscher widersprachen, 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 Biologen nicht infrage. Das hätte die Resultate verfälschen können. Doch auch die vielen Forscher, 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 26Stunden lang waren.

Je länger die Isolation der mutigen Pioniere 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 24Stunden währenden Zyklen ab. Die Probanden schliefen dann zum Beispiel nur noch alle 33Stunden oder verkürzten ihren Tagesrhythmus auf 17Stunden. Schon früh tauchte die Vermutung auf, dass hier die womöglich vererbte Neigung mancher Zeitgenossen zum Durchbruch kam, 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 36,5Grad Celsius und tags ein ungefähr um ein Grad höheres Maximum erreicht. Nicht belegt war jedoch, dass auch dieser physiologische Prozess von einer eigenen biologischen Uhr gesteuert wird.

Zu Beginn ihrer Isolation folgte der Temperaturverlauf der Versuchspersonen dem Schlaf-Wach-Zyklus. Er pendelte ebenfalls im Bereich von etwa 25Stunden 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, bis 1997Professor für Physiologische Psychologie an der Universität Konstanz, zusammen.

Beide Uhren scheinen 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 einen Jetlag hatte oder Nachtschicht schieben musste, weiß, wie mühsam es ist, während des körperlichen Leistungstiefs wach zu sein. In den Andechser Versuchen waren die aus dem rhythmischen Gleichklang geratenen Menschen zwar ausgeschlafen, wenn ihre Körpertemperatur sich am Tiefpunkt befand, 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. Depressionen, Schlafstörungen und vermutlich sogar ernsthafte Stoffwechselkrankheiten können die Folge sein.

Wendung ohne Sonne

Im Jahre 1729 publizierte der französische Astronom Jean-Jacques 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 verbannte das Kraut, das für seine dem Licht folgenden Blattbewegungen bekannt ist, in dauerhafte Dunkelheit. 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 lichtdurchfluteten 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 und ganz allgemein im Einklang mit den Rhythmen der Natur zu leben.

Wie wichtig die Wissenschaft ist, die der französische Astronom damals lostrat, begriffen 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 des Zugangs 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 und 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 festgelegten 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 30Jahre 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 19.Jahrhundert machte der Schweizer Botaniker Alphonse de Candolle weitere 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, dass die Blattbewegungen tatsächlich einem angeborenen Zeitschema gehorchen, 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 den Andechser Bunkerexperimenten glaubte die Mehrheit der Naturwissenschaftler, dass Lebewesen sich nur deshalb rhythmisch verhalten, weil sie auf Signale ihrer Umwelt reagieren. Wer das bezweifle, habe nur noch nicht die entscheidenden Reize entdeckt.

Heute weiß man, dass dies nur die halbe Wahrheit ist: Zwar reagieren fast alle Organismen gezielt auf die täglichen Wechsel in ihrer Umgebung. Doch darüber hinaus besitzen sie biologische Pendel, die auf molekularer Ebene auf und ab 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 20.Jahrhunderts setzte 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 inzwischen 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.

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 der natürlichen Zeitmessung vor 250Jahren 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 der verschiedenen 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, musste es etwa sechs Uhr morgens sein, 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 konnte Linné als Siesta-Signal nutzen, während sich die Nachtkerze immer zwischen fünf und sechs Uhr abends öffnete und den akribischen Forscher dazu ermahnte, sein Tagwerk abzuschließen.

Historische Darstellung einer Blumenuhr nach Linnaeus.

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 100Jahren wurden sie hartnäckiger. Und ihre Resultate immer überzeugender: 1906 gaben S.Simpson und J.J.Galbraith bekannt, dass die Körpertemperatur von Affen in gleich bleibender 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 folgerte 1939 aus ähnlichen Experimenten mit Mäusen: «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 noch nach Nahrung, als schon länger keine mehr geboten wurde.

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, demzufolge 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 Bünning, der mit dieser These Recht behalten sollte.

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 Kraft raubenden 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 zurückfinden, 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 50er und 60er Jahren des letzten Jahrhunderts. Der deutsche Verhaltensforscher Gustav Kramer hatte 1952 nachgewiesen, dass Stare sich während ihrer Wanderung am Sonnenstand orientieren und dabei sogar die kontinuierliche Bewegung des Himmelskörpers ausgleichen. Daraus folgerte er, dass die Tiere für diese Leistung «eine biologische Uhr» besitzen müssten, und prägte damit den bis heute gängigen Begriff für die physiologische Zeitmessung.

Sein Kollege Klaus Hoffmann zeigte anschließend, 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 Ort mit Tag-Nacht-Wechsel versetzt werden. Der Nachweis solcher Eigenschaften – die Fähigkeit einer inneren Uhr, ohne äußere Reize und ohne Anstoß weiterzulaufen, sich gleichzeitig aber flexibel an Änderungen der Umwelt anzupassen – sollte wenig später zum festen Bestandteil 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 beigaben.

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: circa) jeden Tag (dies) wiederholen. Nach dem gleichen Strickmuster entstanden die Begriffe zirkalunar für Perioden, die in etwa dem 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 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 auch die Tiere 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 Colin Pittendrigh, einem Biologen aus Princeton, USA, und dem Pionier der Erforschung innerer Pflanzenrhythmen, 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 85Jahren starb.

Kein Leben ohne Uhr

In Andechs wurden nicht nur Menschen untersucht, sondern auch Vögel, Ratten, Eidechsen, Hamster, Affen und viele Tiere mehr. Sie sollten so viel wie möglich über ihre biologischen Zeitmesser verraten. Die Forscher 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 Chronobiologen noch klein, doch sie bekam Zulauf aus vielen verschiedenen Fachgebieten: Verhaltensforscher entdeckten, dass ein Experiment zu verschiedenen Tageszeiten unterschiedliche Ergebnisse bringt. Endokrinologen stellten die Frage, wieso Tiere Hormone im Tages- oder Jahresrhythmus regulieren. Physiologen interessierten sich für die rhythmischen Schwankungen des Stoffwechsels. Mathematiker begeisterten sich für Algorithmen, die das Zusammenspiel von Oszillatoren berechnen und die Experimente der Biologen simulieren konnten. Später kamen Molekularbiologen, Neurowissenschaftler und Genetiker 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 Forscher nach einer physiologischen Uhr suchten, fanden sie 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 täglich kurz vor Mitternacht für fast zwei Stunden besonders stark und sendet je nach Tageszeit unterschiedlich heftige Leuchtblitze aus.

Sogar der Schlauchpilz Neurospora, allen Nicht-Fungologen 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 Licht verarbeitenden Zellbestandteile, 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. Besonders beeindruckend: Die Insekten schlüpfen dank eigener Tagesrhythmik immer nur im Morgengrauen aus der Puppe, die in der Erde eingegraben 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 bei Temperaturanstieg plötzlich schneller geht?

Pittendrighs Experiment ist 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 bei vielen Einzellern heraus, dass sie sich zu einer bestimmten Tageszeit bevorzugt teilen. Sie wiesen nach, dass Säugetiere meist nachts geboren werden und dass manche Tiere oder Pflanzen ganz gezielt nach einer festgelegten Zahl von Tagen oder sogar Jahren erwachsen werden oder blühen, um sich fortzupflanzen und danach zu sterben.