Biologische Rhythmen - Mit besonderem Blick auf die circadiane Uhr

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

1. Biologische Rhythmen
1.1 Unterschiedliche Rhythmen

2. Innere Uhren
2.1 Die circadiane Uhr
2.1.1 Nachweis
2.1.2 Zeitgeber
2.1.3 Sitz
2.1.4 Mögliche Entstehungsursachen
2.1.5 Notwendigkeit
2.1.6 Störungen

Zusammenfassung

Literaturverzeichnis

Einleitung

Das Leben des Menschen aber auch aller anderen Lebewesen auf diesem Planten unterliegt einem zeitlichen Rhythmus, in dem gleiches immer wiederkehrt, bzw. gleiche Verhaltensweisen immer wieder ausgeführt werden. So wechseln Licht und Dunkelheit; wechseln Schlaf und Wachheit. An vielen weiteren Beispielen lassen sich Rhythmen in der Natur beobachten: Dem Wechsel der Gezeiten etwa oder auch den zyklischen Mondphasen.

Das Leben des modernen Menschen wird von der Uhr bestimmt, die ihm immer wieder zeigt, wie viel Zeit er noch hat, bzw. eher wie viel Zeit er nicht mehr hat. Um diesem Druck zu entgehen kommt so manch einer auf die Idee seine Uhr in Zeiten der vermehrten Freizeit, also im Urlaub etwa, wegzuwerfen und die Zeit Zeit sein zu lassen. Doch so einfach ist das nicht, denn der Mensch verfügt - wie alle anderen Lebewesen auch - über eine Uhr, die man nicht so einfach wegwerfen kann. Diese Uhr ist endogen und steuern unmerklich unseren Tagesrhythmus - auch wenn wir uns bemühen nicht nach einem Rhythmus zu leben, weil wir ihn im Alltag vielleicht zur Genüge hatten. Jeder kennt sicher das Phänomen kurz vor dem gestellten Wecker aufzuwachen oder aber diesen gar nicht zu benötigen, so als klingele ein Wecker tief in uns. In Versuchen hat man diese „innere Uhr“ nachweisen können. Neben ihr existieren viele weitere innere Rhythmen, deren Zyklus über unterschiedlichste Zeitintervalle verläuft.

Wo sitzt die „innere Uhr des Menschen“? Läßt sie sich stellen? Warum entstand sie? Kann selbst diese Uhr „falsch gehen“? Diese und andere Fragen sollen im Folgenden Thema sein.

1. Biologische Rhythmen

Man darf biologische Rhythmen nicht mit der pseudowissenschaftlichen Theorie der Biorhythmen gleichsetzen. Diese besagt, daß wir alle Zyklen unterworfen sind, deren Dauer genau festgelegt seien. So nehmen...

(...) körperliche Fähigkeiten [...] nach dieser Theorie alle 23 Tage ab und zu, die Stimmungslage schwankt in einem 28-Tage-Zyklus, und für die intellektuelle Leistungsfähigkeit könnte es einen schwächeren Zyklus von 33 Tagen geben.^[1]

Dabei sollen die drei Periodenlängen für alle Menschen gleich sein - unabhängig von Alter, Geschlecht oder Gesundheitszustand. Die Theorie ist schon allein deswegen unglaubwürdig, weil sie Probleme außen vor läßt, die entstehen, wenn z.B. jemand über die Datumsgrenze zieht. Außerdem beginnen die angeblichen Zyklen mit dem Tag der Geburt - also unabhängig davon, ob das Kind „normal“ geboren wurde oder aber durch die Chirurgen per Kaiserschnitt zur Welt kam.

Unter „biologischen Rhythmen“ versteht man das Gesamtspektrum rhythmischer Lebensvorgänge, die von Millisekunden bis zu einem Jahr und länger reichen können.

Der Erforschung der biologischen Rhythmen hat sich in erster Linie die Chronobiologie gewidmet. Dieser Forschungszweig ist relativ jung - erst in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts hat sie sich etabliert. Die Ergebnisse dieser Forschung sind für viele handlungsorientierte Wissenschaftszweige von Bedeutung, wie z. B. Die Pharmakologie, medizinische Therapie, Arbeitsmedizin usw. .

Biologische Rhythmen waren den Menschen jedoch schon lange vor Entstehen der Chronobiologie aufgefallen. So berichtete Aristoteles bereits am Beispiel der Seeigel des Mittelmeeres von einer Mondrhythmik bei Organismen. Er erwähnt^[2], daß die Eierstöcke des Seeigels immer zur Zeit des Vollmondes anschwellen. Bei Cicero^[3] und Plinius^[4] findet sich der Hinweis, daß die Menge der Austern im Meer mit den Mondphasen zu- und abnehme.

1.1 Unterschiedliche Rhythmen

Wie oben erwähnt gibt es in unserem Körper Rhythmen unterschiedlichster Läge und Art. So kann manje nach Dauer des Rhythmus' z. B. zwischen kurzwelligen, mittelwelligen und langwelligen Rhythmen unterscheiden.

Zu den kurzwelligen Rhythmen zählt man unter anderem Nervenaktionen, deren Rhythmen je nach Nervenart und ihrer Reizung bei einer bis zu einer achthundertstel Sekunde liegen können.

Ein Beispiel für einen mittelwelligen Rhythmus wäre z. B. der Herzschlag. Die Periodendauer des Pulses liegt - zumindest in der Ruhephase - bei ca. 1 Sekunde. Auch in diesen Bereich zählen die Kontraktionswellen der Darmmuskulatur, die noch im Sekundenbis Minutenbereich liegen; ebenso wie einige Kreislaufrhythmen. Der Tonus vieler glatter Organe liegt im Minuten- bis Stundenbereich, wie z. B. die rhythmischen Kontraktionen der Harnleiter. Wichtig wäre hier noch der 90-Minuten-Rhythmus zu erwähnen. Während des Schlafens werden wir alle 90 Minuten unruhig, drehen uns und atmen beschleunigt. Die REMPhase setzt ein. Angeblich schwingt dieser Rhythmus auch...

(...) tagsüber spürbar weiter. So brauchen wir bei jeder angespannten Tätigkeit spätestens nach eineinhalb Stunden eine Verschnaufpause. Länger können wir z. B. einem Vortrag kaum ununterbrochen zuhören.^[5]

Zu den langwelligen Rhythmen zählen all jene, die mindesten einen Tag - also 24 Stunden schwingen. Der am besten erforschteste ist wohl auch der 24-stündige Tag-Nacht-Rhythmus, auf den später noch intensiv eingegangen werden soll. So viel in kürze: Nicht nur der Mensch lebt nach einem Tag-Nacht-Rhythmus, sondern auch viele seiner inneren Funktionen schwanken innerhalb des Rhythmus', wie z. B. der Temperaturzyklus, Hormonwerte oder auch die Immunlage.

Den sogenannten Wochenrhythmus hielt man lange für einen konventionellen Kulturrhythmus. Heute weiß man, daß es sich auch hierbei um einen biologischen Rhythmus handelt. Der Wochenrhythmus gilt insbesondere für die Ausheilung von Verletzungen, Verstauchungen und Wundschwellungen, die in einem 7-tägigen Rhythmus abklingen. Auch die Fieberkurve bei ungestörtem Scharlachverlauf zeigt eine Wochen-rhythmische Dynamik.

Zum Monatsrhythmus schließlich kann man unter anderem den Menstruationszyklus der Frau zählen. Lange wurde behauptet, daß zwischen ihm und dem Mondzyklus ein Zusammenhang besteht, da beide Zyklen 28 Tage betragen. Meiner Meinung nach kann man diese Annahme jedoch unter einem „populärem Irrtum“ verbuchen. Die Behauptung etwa, daß sich der Zyklus der Frau nach dem Mond richten würde und das Ende des Zyklus' zu Vollmond erreicht sei, ließ sich nicht verifizieren. Außerdem ist der Mensch nur eines von vielen Säugetieren auf diesem Planeten. Die Dauer des Menstruationszyklus' schwankt rapide von Tier zu Tier. Warum also sollte ausgerechnet der Mensch sich hier nach dem Mond ausrichten, andere Tiere jedoch nicht? Ein weiteres Faktum ist, daß auch gar nicht der Zyklus jeder Frau genau 28 Tage dauert und es kann Schwankungen von Monat zu Monat geben.

Zu Jahresrhythmen schließlich zählt z. B. die jahreszeitliche Anpassung der Bäume, wobei diese in den Tropen allerdings entfällt. Hier bleibt das Klima das ganze Jahr quasi gleich, weswegen es keine Jahreszeiten mehr und auch keine jahreszeitliche Anpassung der Vegetation gibt. An den Bäumen kann man hier oftmals jedes Stadium gleichzeitig finden, also Blüte, Frucht und Laubverlust. Daneben zählen auch Wanderungen der Zugvögel etwa zu den Jahresrhythmen, der Fellwechsel bei vielen Tierarten zwischen Sommer- und Winterfell oder aber auch der Winterschlaf.

2. Innere Uhren

Man spricht bei einigen Rythmen auch von „inneren Uhren“. Diese inneren Uhren laufen -einmal angestoßen - autonom weiter. Man unterscheidet dabei zwischen circadianen (Tagesrhythmus), der im Folgenden näher erläutert werden soll, circalunaren (Mondrhythmus), circadialen (Gezeitenrhythmus) und circannualen (Jahresrhythmus) inneren Uhren.

2.1 Die circadiane Uhr

Erstmals beobachtete wurde die circadiane Uhr 1729 von dem französischen Astronomen Jean Jacques d'Ortous de Mairan. De Mairan stellte fest, nachdem er eine Mimose in einen Lichtundurchlässigen Kasten gestellt hatte, daß sie ihre Blattbewegungen auch bei ständiger Dunkelheit beibehielt: Tagsüber klappte sie ihre Blätter auf und nachts klappte sie sie zusammen.

Der Ausdruck „circadiane Uhr“ wurde 1959 von Halberg vorgeschlagen. Gebildet hatte er den Ausdruck nach dem lateinischen circa -ungefähr und dies -der Tag. Wie in dem Versuch von de Mairan hatte man festgestellt, daß der Tagesrhythmus durch eine innere Uhr gesteuert wird, die auch ohne exogene Umweltreize oder Zeitsignale in einer Periodenlänge von ungefähr 25 Stunden weiterschwingt; also einen Rhythmus von circa einem Tag hat. Da auch alle anderen inneren Rhythmen nur circa der eigentlichen Rhythmuslänge, also z. B. einem Jahr entsprechen, hat man auch ihnen den Zusatz circa vorangestellt.

Die circadiane Uhr ist ein rein endogener Rhythmus, d. h. sie hält ihren Rhythmus, welcher sich in Intervallen von ca. 25 Stunden wiederholt, unabhängig von äußeren Reizen selbst in Gang. Dabei können äußere Reize jedoch als Zeitgeber fungieren, worauf später noch genauer eingegangen werden soll. Neben diesen rein endogenen Rhythmen unterscheidet man noch die teils endogenen und teils exogenen Rhythmen und die rein exogenen Rhythmen. Ein Beispiel für einen rein exogenen Rhythmus wäre z. B. die Blütenbewegung der Sonnenblume. Diese folgt den ganzen Tag über dem Lauf der Sonne, behält diese Bewegung jedoch in Dunkelheit nicht bei.

Nicht nur der Mensch verfügt über eine circadiane Uhr, sondern auch Tiere, Pflanzen, viele Bakterien, wobei die inneren Uhren der verschiedenen Spezies unterschiedlich genau laufen.

2.1.1 Nachweis

Wie bereits erwähnt, hat de Mairan 1729 die innere Uhr bei der Mimose nachgewiesen. Jürgen Aschoff wollte Anfang der 60er Jahre herausfinden, ob der 24-Stunden-Rhythmus beim Menschen tatsächlich auch durch eine innere Uhr gesteuert wird oder aber , ob wir nur passiv dem von der Erdrotation verursachten Wechsel der Umweltbedingungen folgen und ob es ohne den immer wiederholten Anstoß von außen keinen Rhythmus im Organismus gäbe. Aschoff wollte in seinen Versuchen Antworten auf folgende Fragen finden:

Was, so müssen wir fragen, geschieht, wenn wir dem Wechsel von Tag und Nacht nicht ausgesetzt sind? Wie verhalten wir uns, wenn uns keine äußere Uhr zur Verfügung steht, von der wir die Tageszeit ablesen können? Bleibt der biologische Rhythmus erhalten, ändert er sich, oder geht er gar verloren?^[6]

[...]

^[1] Arthur T. Winfree: Biologische Uhren. Zeitstruktur des Lebendigen. Heidelberg: Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft 1988, S. 18.

^[2] Aristoteles: Über die Glieder der Geschöpfe (De partubus animalium), Buch IV, Kapitel 5. Paderborn: Schöningh 1959.

^[3] Cicero: Über die Wahrsagung (De divinatione), 2. Buch, Kapitel 33. Darmstadt: Wissenschaftliche Buchgesellschaft 1991.

^[4] Plinius Secundus Cajus: Historia Naturalis, 2. Buch, Kapitel 41. Darmstadt: Wissenschaftliche Buchgesellschaft 1974.

^[5] Klaus-Peter Endres; Wolfgang Schad: Biologie des Mondes. Mondperiodik und Lebensrhythmen. Stuttgart/Leipzig: Hirzel 1997, S. 134.

^[6] Jürgen Aschoff: Die innere Uhr des Menschen. In: A. Pesl; A. Mohler (Hrsg.): Die Zeit. Dauer und Augenblick. München: Oldenbourg 1998, 4. Aufl. S. 136.