Wie genau funktioniert die biologische Uhr?
Wir alle kennen intuitiv unsere biologische Uhr und spüren, dass sie existiert. Das liegt daran, dass sie eine Art innerer Chronometer ist, der uns sagt, wann es Zeit ist zu schlafen oder aufzuwachen. Außerdem bestimmt sie die verschiedenen physiologischen Veränderungen, die wir im Laufe des Tages erleben.
Obwohl die Entdeckung ihrer Funktionsweise relativ neu ist, ist das Konzept der biologischen Uhr als solches vielen bekannt. Es waren die Wissenschaftler Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young, die dieses Geheimnis lüfteten. Im Jahr 2017 wurden sie dafür mit dem Nobelpreis für Physiologie oder Medizin ausgezeichnet.
Daher wissen wir heute nicht nur, wie die biologische Uhr funktioniert, sondern auch, dass ihre Veränderungen ein Risikofaktor für die Entstehung vieler Krankheiten sind. Darüber hinaus ist ebenfalls bekannt, dass sich das Leben auf der Erde im Rhythmus dieser natürlichen Zyklen bewegt.
Was genau ist die biologische Uhr?
Allgemein ausgedrückt ist die biologische Uhr ein interner Mechanismus von Lebewesen, der es uns ermöglicht, uns zeitlich zu orientieren. Im Grunde gibt sie Instruktionen für die verschiedenen organischen Aktivitäten – wie Schlafen, Essen usw. – und gibt vor, wann diese auszuführen sind.
Genau wie eine herkömmliche Uhr arbeitet die biologische Uhr in Zyklen. Das bedeutet, sie entwickelt kontinuierliche Abläufe, die ihren Zyklus erfüllen und dann wieder von vorne beginnen. Deshalb fühlen wir uns zum Beispiel in regelmäßigen Abständen wieder hungrig oder schläfrig.
Diese innere Uhr regelt Funktionen wie Schlaf, Hormonausschüttung, Essverhalten und sogar Blutdruck und Körpertemperatur. Wissenschaftler sagen, dass es sich dabei um eine Art molekulares Skript handelt, das alle lebenden Organismen besitzen.
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Einige Hintergrundinformationen
Alles Leben auf der Erde funktioniert in Abstimmung mit der Rotation des Planeten. Tag und Nacht sind also die grundlegenden Parameter, an denen sich alle Lebewesen orientieren. Bereits im 18. Jahrhundert stellte der Astronom Jean Jacques d’Ortous de Mairan fest, dass einige Funktionen der Pflanzen am Tag und andere in der Nacht ablaufen – unabhängig davon, ob sie dem Licht ausgesetzt sind oder nicht.
In den 1960er Jahren sprach der Biologe Franz Halberg zum ersten Mal von zirkadianen Rhythmen, um die biologischen Prozesse zu beschreiben, die täglich in einem Zeitraum von 24 Stunden ablaufen. Dabei handelte es sich im Wesentlichen um das Schlafen in der Nacht und das Wachsein am Tag. Allerdings wusste man noch nicht, was diese Zyklen verursacht.
Der Genetiker Seymour Benzer und sein Kollege Ronald Konopka untersuchten die Möglichkeit, dass Gene die biologische Uhr bzw. ihren Mechanismus aktivieren. Doch erst im Jahr 1984 gelang es den Forschern Jeffrey Hall, Michael Rosbash und Michael Young, die Gene zu identifizieren. Daraufhin entdeckten sie auch, wie der gesamte Mechanismus funktioniert.
Wie funktioniert die biologische Uhr?
Die biologische Uhr ist ein Zusammenspiel von Genen und Proteinen, von denen, vereinfacht ausgedrückt, zwei tagsüber und zwei nachts vorherrschen. Darüber hinaus gibt es noch zahlreiche weitere Gene und Proteine, die deren Wirkung ergänzen und die tag- und nachtaktiven Prozesse eines bestimmten Organismus regulieren.
Der Wirkungsmechanismus verläuft folgendermaßen:
- Zu Beginn des Tages werden die Cryptochrome- und Period-Gene durch die Proteine BMAL1 und CLOCK aktiviert und die von ihnen produzierten Proteine (CRY und PER) häufen sich im Laufe des Tages an.
- Wenn sich der Tag dem Ende neigt, wandern die so gebildeten Komplexe allmählich wieder zurück in den Zellkern, wo sie die Funktion von BMAL1 und CLOCK blockieren.
- Infolgedessen wird auch die Funktion der Cryptochrome- und Period-Gene abgeschaltet.
- Im Laufe der Nacht sinkt dadurch die Menge der Proteine CRY und PER in der Zelle wieder so weit ab, dass die Blockade von CLOCK und BMAL1 in der Folge endet.
Eine Abnahme der Proteine der Cryptochrome- und Period-Gene deaktiviert ihre Wirkung. Diese werden am nächsten Morgen wieder durch die Proteine BMAL1 und CLOCK aktiviert und der Zyklus beginnt von Neuem.
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Abschließende Gedanken über die biologische Uhr
Ein Körper funktioniert besser und bleibt stabiler, wenn er nach dem genauen Rhythmus der biologischen Uhr arbeitet. Das bedeutet im Wesentlichen, dass man nachts die richtige Anzahl von Stunden schläft, tagsüber aktiv ist und zu den besten Zeiten isst.
Dieser innere Taktgeber funktioniert in jeder Zelle und in jedem Organ des Körpers von Lebewesen. Die Art und Weise, wie diese biologische Uhr bei jedem Einzelnen funktioniert, bestimmt eine gewisse Tendenz, zu bestimmten Zeiten produktiver zu sein.
Auch die Reaktion des Organismus auf äußere Reize ist zeitabhängig. Dank der Chronopharmakologie wissen wir, dass der Körper unterschiedlich auf ein Medikament reagiert, wenn man es beispielsweise am Tag, am Nachmittag oder in der Nacht einnimmt.
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