Und andere Geheimnisse der inneren Uhr

Durch Zufall habe ich mich die letzten Tage wieder einmal mit der inneren Uhr beschäftigt – einem Thema, von dem ich jedes Mal aufs Neue fasziniert werde. Eine Freundin von mit geht für einen längeren Zeitraum ins Ausland und ich überlege, sie zu besuchen. Leider bleibt in meinen nächsten Ferien durch Praktika und Klausuren gar nicht so viel Zeit übrig, weswegen ich Angst habe, den Besuch vor lauter Jetlag gar nicht richtig genießen zu können. Als ich daher nach Möglichkeiten gesucht habe, den Jetlag zu verkürzen oder gar zu umgehen, kam ich wieder auf die innere Uhr. Das ich zum Jetlag-Verkürzen vermutlich Schokolade brauche, war nicht das einzige Spannende, was ich herausfand. Aber der Reihe nach.

Innere was?

Menschen, Tiere, aber auch Pflanzen und Pilze – sie alle besitzen eine innere Uhr. Diese orchestriert unsere Körperfunktionen so, dass wir uns besser auf wiederkehrende Ereignisse einstellen und uns auf diese vorbereiten können. Jeder, der morgens schon mal eine oder zwei Minuten vor seinem Wecker aufgewacht ist, kennt dieses Phänomen. Stehen wir regelmäßig zur gleichen Uhrzeit auf, antizipiert unser Körper, dass wir gleich in den Tag starten. Der Organismus kann sich unterbewusst schon mal auf die kommenden Aufgaben einstellen und ist bereit, wenn diese beginnen. Wenn sich dies täglich wiederholt– wie beispielsweise das Aufstehen nach dem Weckerklingeln – spricht man von sogenannten circadianen Rhythmen, was lateinisch für ungefähr einen Tag ist. Natürlich gibt es auch längere oder kürzere Wiederholungen; Monatsrhythmen wie den weiblichen Menstruationszyklus etwa oder ungefähr 90-minütige Schlafzyklen. Im Folgenden soll es aber lediglich um die circadianen Rhythmen gehen. Diese sind normalerweise auch gemeint, wenn von der inneren Uhr gesprochen wird.

Wie funktioniert die innere Uhr?

Die innere Uhr wird durch ein Netzwerk sich gegenseitig an- und abschaltender Gene gebildet, dessen Zyklus ungefähr 24 Stunden dauert. Die Zyklusdauer bleibt auch dann erhalten, wenn der Organismus keinerlei zeitliche Information aus der Umwelt ablesen kann. Bei den meisten Menschen folgt die innere Uhr tatsächlich aber einem Rhythmus, der ein klein bisschen länger als ein Tag ist – nämlich circa 25 Stunden. Das stellt im Alltag jedoch kein Problem dar, da sogenannte Zeitgeber (wie beispielsweise der Sonnenaufgang oder die Nahrungsaufnahme) unsere innere Uhr immer wieder mit der Außenwelt resynchronisieren.
Die Periodenlänge unserer individuellen inneren Uhr legt zudem mit fest, ob wir eher ein „Morgen-“ oder eher ein „Nachtmensch“ sind. Die innere Uhr von Morgenmenschen besitzt üblicherweise einen inneren Rhythmus der kürzer ist als 24 Stunden und Nachtmenschen einen längeren. Diese Tendenz ist recht stark biologisch bestimmt (man spricht hier von Chronotypen), dennoch existieren auch typische altersabhängige Dynamiken. Mit zunehmendem Alter verschiebt sich der Tagesrhythmus immer weiter nach vorne, sodass man tendenziell immer früher ins Bett geht und immer früher wieder aufsteht.

Spätere Schule – glücklichere Kinder?

Diese altersabhängige Verschiebung des Tagesrhythmus ist im Übrigen der Grund, warum Teenager häufig „Morgenmuffel“ sind und meist später ins Bett gehen. Weltweit erkennen immer mehr Schulen dieses Problem an und versuchen, den Stundenplan stärker an die innere Uhr der Schülerinnen und Schüler anzupassen. Eine Schule in Singapur, beispielsweise, hat den Beginn der ersten Stunde von 07:30 Uhr auf 08:30 Uhr verschoben und dieses „Experiment“ wissenschaftlich begleitet. Dabei kam heraus, dass die Kinder nicht nur bessere Leistungen erbrachten, sondern auch nachhaltig länger schliefen – und insgesamt glücklicher waren.

Woher kommt die innere Uhr?

Evolutionär stellt sich das Vorhandensein einer inneren Uhr aus vielen Gründen als extrem sinnvoll dar. Eine gute Vorausahnung der täglichen Schwankungen von Licht und Temperatur, aber auch der Verfügbarkeit von Essen oder potenziellen Sexualpartnern erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass ein Individuum überlebt und sich erfolgreich fortpflanzt.

Und woher die 25-Stunden?

Auch der vorherrschende 25 Stunden Rhythmus ist vermutlich evolutionär erklärbar. Zu Zeiten, in welchen die Nahrungssuche noch mehr als der Weg zum Supermarkt war, erwies es sich manchmal als nützlich, abends nicht direkt in den Ruhemodus herunterzufahren. Hatte man über den Tag keinen geeigneten Lagerort oder bis dahin nicht genügend Nahrung gefunden, sorgte die längere Tagesperiode dafür, dass die Energie am Abend vielleicht doch noch so lange reichte, um das Tagespensum zu erreichen.
Manche Forscher vertreten die Meinung, dass wir noch immer eine Selektion auf Chronotypen haben, welche eine intrinsisch längere Periode besitzen. Da – vor allem durch unsere Arbeitswelt begründet – unsere Fortpflanzung heutzutage vor allem abends stattfindet, bekommen Individuen, die zu dieser Zeit aktiver sind, so einen kleinen Selektionsvorteil.

Wo genau befindet sich die innere Uhr?

Tatsächlich hat jede Zelle im Körper eine eigene innere Uhr, da jede Zelle die Gene besitzt, welche die innere Uhr ermöglichen. Je nachdem, welche Zelle es genau ist, kann es aber sein, dass sich die Gene unterschiedlich auswirken; im Magen zum Beispiel auf die Magensäureproduktion, im Muskel auf den muskulären Stoffwechsel. Damit all diese inneren Uhren in unserem Körper möglichst synchron laufen, gibt es eine Master-Uhr. Diese liegt beim Menschen (und bei allen Säugetieren) im Suprachiasmatischen Kern (SCN). Das der SCN die Master-Uhr im Säugetier ist, wurde durch Transplantationsexperimente mit Hamstern herausgefunden! Die Entfernung und Re-Transplantierung des SCNs legte fest, ob die Tiere einen Tagesrhythmus besaßen oder nicht.
Der SCN ist eine Gehirnstruktur, deren Nervenzellen ganz besonders stabile inneren Uhren besitzen. Die Nervenzellen verrechnen die Informationen der externen Zeitgeber und senden synchronisierende Signale zu den restlichen Zellen unseres Organismus.

Die Kommunikation zwischen dem SCN und den restlichen Geweben kann jedoch gestört sein oder viele Zeitgeber senden unterschiedliche Signale, sodass die tatsächliche Uhrzeit nicht bestimmt werden kann. Dies hat zur Folge, dass sich die inneren Uhren in unserem Körper desynchronisieren. Leider wird eine Desynchronisation vielfach und mit verschiedensten Krankheiten in Verbindung gebracht. Tierexperimente zeigen sogar, dass es, bezogen auf die Lebenserwartung, besser ist, gar keine innere Uhr zu besitzen als defekte oder nicht synchronisierte innere Uhren.

Der Zeitgeber der Zeitgeber

Der wichtigste Zeitgeber ist die Helligkeit unserer Umgebung – vor allem vom blauen Licht. Zum richtigen Zeitpunkt kann (blaues) Licht unseren Tagesrhythmus verkürzen (am Morgen), sodass wir schneller wach werden, oder verlängern (am Abend), sodass wir länger wach bleiben. Das ist einer der Gründe, warum Lichtwecker funktionieren oder warum man den Nachtmodus (Blaufilter) vom Smartphone oder PC verwenden sollte, wenn man abends auf Bildschirme guckt. Die Information über die aktuelle Helligkeit wird vom Auge erfasst und an den SCN weitergeleitet. Dieser leitet dann über verschiedene und bisher noch nicht vollständig aufgeklärte Wege die Signale an die restlichen Gewebe weiter.

Wie wird die innere Uhr von blinden Menschen synchronisiert?

Wenn Licht oder vielmehr Helligkeit der wichtigste externe Zeitgeber ist, wirft das leicht die Frage auf, wie bzw. ob Blinde auch ihre innere Uhr synchronisieren können? Untersucht man die innere Uhr blinder Personen, stellt sich heraus, dass bei ungefähr 50 % der Betroffenen eine Desynchronisation der inneren Uhren vorliegt. Ob eine Synchronisation noch möglich ist, hängt stark von der Ursache der Erblindung ab, da die Information über die Helligkeit nicht über die gleichen Rezeptoren wie das „normale“ Sehen aufgenommen werden. Intrinsisch photosensitive Ganglienzellen sind spezialisierte Nervenzellen, die die Lichtintensität direkt messen können und diese Information an die Master-Uhr im SCN senden. Sie tragen aber nicht zum normalen Sehen bei. Tritt die Erblindung in Folge einer Erkrankung auf, welche vor allem die Rezeptoren des normalen Sehens betrifft, so ist eine Synchronisation oft noch vorhanden. Bei anderen Krankheiten, welche die gesamte Netzhaut oder das gesamte Auge betreffen, ist dies in der Regel nicht mehr möglich. Die Betroffenen erkranken daher auch überdurchschnittlich häufig an Schlafstörungen und weiteren Folgeerkrankungen der Desynchronisation.

Licht ist nicht alles

Licht ist zwar der wichtigste, aber nicht der einzige Zeitgeber. Weitere wichtige Synchronisationsimpulse sind die Nahrungsaufnahme, sportliche oder soziale Aktivitäten oder auch die Körpertemperatur. Isst man beispielsweise regelmäßig zu einer bestimmten Zeit, bekommt man meist kurz vorher Hunger. Ein regelmäßiges Frühstück kann für den Körper daher auch ein wichtiges Startsignal für den Tag sein – was uns dann gleich zur Schokolade bringt …

Für die jeweiligen inneren Uhren der einzelnen Organe sind unterschiedliche Taktgeber von besonderer Bedeutung. Die innere Uhr im SCN wird vor allem durch Licht synchronisiert. Bei anderen Organen kann dies anders aussehen, obwohl diese Informationen vom SCN bekommen. Die innere Uhr der Leber, zum Beispiel, ist hochgradig von der Nahrungsaufnahme beeinflusst. Essen wir zu untypischen Zeiten, wie beispielsweise mitten in der Nacht, stört das die Synchronisation unserer inneren Uhren. Wie bereits angedeutet, kann diese Desynchronisation viele negative gesundheitliche Folgen nach sich ziehen. Bei Schichtarbeitenden ist dies ebenfalls häufig anzutreffen, da der Schichtplan die normalen Rhythmen der inneren Uhren durcheinanderwirbelt. Auch Schichtarbeit wirkt sich daher leider negativ auf die Gesundheit aus.

Nun aber: Warum Frühstück und warum Schokolade?

Schichtarbeit und Jetlag haben gemeinsam, dass aufgrund äußerer Umstände unsere innere Uhr nicht mehr mit der Umgebungszeit synchronisiert ist. Um die negativen Folgen möglichst gering zu halten, ist es daher wichtig, diese besonders schnell wieder zu synchronisieren.
Leicht können wir unser bisheriges Wissen auf dieses Problem anwenden. Der SCN lässt sich gut mit (Tages-) Licht synchronisieren. Daher sollte man sich möglichst schnell in der jeweiligen Umgebung dem Tageslicht aussetzen und sich idealer Weise auch noch bewegen oder sozial interagieren, denn sportliche und soziale Aktivitäten sind ebenfalls Zeitgeber. Die Schokolade zum Frühstück unterstützt dabei unseren Start in den Tag. Durch das Essen werden auch die inneren Uhren synchronisiert, die besonders empfindlich für Nahrungsaufnahmen sind. Diese Methode ist wissenschaftlich geprüft. 😉 Ratten, die ein Stück Schokolade zum „Frühstück“ erhielten, konnten ihr innere Uhr in Jetlag- und Schichtarbeitsmodellen schneller synchronisieren als Ratten, die keine Schokolade bekamen. Leider hatte in diesem Experiment Schokolade am Abend genau den gegenteiligen Effekt, sodass sich die Synchronisierung verzögerte.

Für die Reiseplanung

On-the-fly kann man sich auch noch schnell erklären, warum Fernreisen von Ost nach West für die meisten Menschen (in Bezug auf den Jetlag) angenehmer sind als in die entgegengesetzte Richtung. Reist man nach Westen, verschiebt sich der Tagesrhythmus nach hinten, da die Uhrzeiten in den dortigen Zeitzonen später sind. Da die meisten Menschen eine innere Uhr mit einem intrinsischen Rhythmus der länger als 24 Stunden ist, besitzen, fallen die Anpassungen so meist leichter und schneller. Bei Reisen gen Osten kämpft man gegen die intrinsische Tendenz und muss es schaffen, die Periode der inneren Uhr zu verkürzen, da die Uhrzeit nach vorne gestellt wurde.

Vielleicht schaffe ich ja doch noch, meinen Urlaub trotz geringer Zeit und vermutlichen Jetlag zu genießen. Die Schokolade ist auf alle Fälle schon mal eingepackt 😉

In Kürze:

Wir können also zusammenfassen, dass unsere innere Uhr durch ein komplexes Gen-Netzwerk gesteuert wird, was eine intrinsische Periode von ungefähr einem Tag hat – bei manchen ein bisschen kürzer, bei den meisten ein bisschen länger. Und um dies an die tatsächliche Uhrzeit anzupassen, gibt es sogenannte Zeitgeber, welche die innere Uhr synchronisieren. Der wichtigste Zeitgeber ist das Tageslicht, aber auch die Nahrungsaufnahme spielt eine wichtige Rolle. Jede Zelle besitzt eine eigene innere Uhr, wird aber durch eine Master-Uhr im Gehirn synchronisiert. Durch schnelle Änderung von Umweltbedingungen (zum Beispiel Jetlag oder Schichtarbeit) können sich unsere inneren Uhren desynchronsieren. Dies kann negative gesundheitliche Folgen haben. Schokolade zum Frühstück führt bei Ratten zu einer schnelleren Synchronisation der inneren Uhren mit der Umwelt, wenn diese Jetlag oder „Schichtarbeit“ ausgesetzt sind.

Eine vollständige Liste der verwendeten Literatur ist hier zu finden.