Zweimal im Jahr wird an der Uhr gedreht. Für manche ist die Zeitumstellung kaum spürbar, andere fühlen sich tagelang aus dem Rhythmus gebracht. Warum das so ist, hat mit biologischen Uhren zu tun: inneren Taktgebern, die in Lebewesen ablaufen, ohne dass wir sie bewusst wahrnehmen.

Diese inneren Uhren steuern nicht nur, wann wir müde werden. Sie beeinflussen viele Vorgänge im Körper: Stoffwechsel, Hormone, Verdauung, Verhalten oder die Aktivität einzelner Organe. Und sie gibt es nicht nur beim Menschen. Tiere, Pflanzen, Pilze, Algen, Bakterien von der Bergspitze bis zur Tiefsee orientieren sich an wiederkehrenden Rhythmen: an Tag und Nacht, an Jahreszeiten – und in vielen Fällen auch am Mond.

Kristin Tessmar-Raible, ehemaliges Mitglied der Jungen Akademie der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW), erforscht solche biologischen Rhythmen in einer Kooperation zwischen der Fakultät für Lebenswissenschaften der Universität Wien und dem AWI. Besonders interessiert sie, wie Organismen Licht wahrnehmen und wie Sonne und Mond die inneren Uhren stellen. Im Interview erklärt sie, warum die Zeitumstellung nur ein kleiner Teil eines viel größeren Themas ist, wie ein Borstenwurm Mondlicht erkennt – und warum künstliches Licht in der Nacht ökologische Folgen haben kann.

Zeitumstellung als Mini-Jetlag

Frau Tessmar-Raible, Ende Oktober wird wieder die Uhr umgestellt. Was zeigt diese Debatte darüber, wie stark Lebewesen von biologischen Rhythmen geprägt sind?

Kristin Tessmar-Raible: Die Debatte zeigt zunächst einmal, dass es sehr unterschiedliche Einschätzungen gibt. In der Chronobiologie gibt es klare Stimmen gegen die Zeitumstellung. Natürlich hat es Effekte auf Organismen, wenn die Uhr zweimal im Jahr um eine Stunde vor- oder zurückgestellt wird. Gleichzeitig ist die Sache gesellschaftlich nicht ganz einfach. Es macht einen Unterschied, wo ein Land liegt, wie hell es morgens oder abends ist und welche sozialen Gewohnheiten Menschen haben. Manche wollen abends länger Licht haben, andere profitieren eher von mehr Licht am Morgen. Das lässt sich nicht nur biologisch beantworten, sondern ist am Ende auch eine gesellschaftliche und mithin politische Entscheidung. Für den Körper ist die Zeitumstellung eine Art kleiner Mini-Jetlag. Die Frage ist, wie stark diese eine Stunde tatsächlich wirkt – und das kann individuell verschieden sein. Manche Menschen spüren das deutlich, andere kaum.

Man kann sich das wie ein Orchester vorstellen: In den einzelnen Organen und Zellen gibt es viele kleine Uhren. 

Was ist mit „innerer Uhr“ eigentlich gemeint?

Tessmar-Raible: Innere Uhren sind Prozesse im Körper, die unbewusst ablaufen und viele Bereiche unseres Lebens steuern. Sie sorgen zum Beispiel dafür, dass wir zu bestimmten Tageszeiten eher müde werden. Aber sie beeinflussen auch den Stoffwechsel, die Aktivität von Enzymen in der Leber oder sogar die Durchlässigkeit der Blut-Hirn-Schranke. Die bekannteste innere Uhr ist die tägliche (circadiane) Uhr. Sie läuft ungefähr in einem 24-Stunden-Rhythmus. Dahinter stehen molekulare Mechanismen, die in fast jeder Zelle unseres Körpers ablaufen. Man kann sich das wie ein Orchester vorstellen: In den einzelnen Organen und Zellen gibt es viele kleine Uhren. Im Gehirn sitzt eine Art Dirigent, der versucht, dieses Körperorchester zu koordinieren. Wichtig ist: Diese Uhr läuft nicht einfach isoliert in uns. Sie muss mit der Umwelt abgestimmt werden. Die wichtigsten Signale dafür sind Licht, Essen und Bewegung. Beim Menschen wird die tägliche Uhr so eingestellt, dass sie zu unserer normalerweise tagaktiven Lebensweise passt.

Herausforderung für innere Uhren

Was passiert, wenn dieses System durcheinandergerät?

Tessmar-Raible:  Dann laufen Abläufe im Körper nicht mehr gut koordiniert ab. Das merkt man zum Beispiel beim Jetlag: Man ist zur falschen Zeit müde, fühlt sich nicht wohl, manchmal spielt auch der Magen-Darm-Trakt nicht richtig mit. Kurzfristig ist das unangenehm. Langfristig kann eine dauerhafte Störung innerer Rhythmen aber gesundheitlich problematisch werden. Ein Beispiel ist Schichtarbeit. Langfristige Schichtarbeit gilt als gesundheitliches Risiko, weil der Körper immer wieder gegen seine inneren Rhythmen arbeiten muss. Die Zeitumstellung ist im Vergleich dazu natürlich ein kleiner Effekt. Aber sie zeigt gut, dass unsere Körperzeit und die Uhrzeit nicht einfach dasselbe sind.

Wir haben einen inneren Oszillator mit etwa monatlicher Periodenlänge, was ziemlich gut der Mondrhythmik entspricht. 

Gibt es nur diese tägliche innere Uhr?

Tessmar-Raible:  Nein. Die tägliche Uhr ist die bekannteste, aber es gibt auch andere innere Uhren mit längeren Rhythmen. Ein Beispiel beim Menschen ist der Menstruationszyklus. Wir haben also einen inneren Oszillator mit etwa monatlicher Periodenlänge, was ziemlich gut der Mondrhythmik entspricht. Daher kann man von einer circalunaren Uhr oder auch von einem inneren Kalender sprechen. Die offene Frage ist nun, ob bei Frauen diese circalunare Uhr noch vom Mond gestellt wird oder nicht. 

Interessanterweise gibt es viele Organismen, insbesondere im Meer, die ebenfalls solche inneren Kalender besitzen und für die zeitliche Synchronisation der Fortpflanzung nutzen. Und bei diesen Organismen stellt der Mond die inneren Kalender ein, so wie die Sonne die tägliche Uhr stellt. 

Dazu kommen Jahresrhythmen. Viele Organismen wissen, wann bestimmte saisonale Veränderungen anstehen. Manche Vögel entwickeln etwa zu bestimmten Zeiten Zugunruhe. Einige Tiere haben also nicht nur eine innere Uhr für die Abstimmung ihrer biologischen Prozesse auf bestimmte Stunden und einen inneren Kalender für den Tag, sondern auch einen inneren Jahreskalender für die Bestimmung der Jahreszeit. Beim Menschen wissen wir nicht genau, ob es so einen endogenen Jahresrhythmus gibt. Klar ist aber, dass wir saisonale Wesen sind: die saisonalen Veränderungen von Lichtdauer, Licht- und Temperaturintensität wirken auf uns.

Pünktlich wie Krabben und Korallen 

Welche Beispiele zeigen besonders gut, wie stark Tiere auf solche Rhythmen abgestimmt sind?

Tessmar-Raible: Bei Korallen sieht man das sehr eindrucksvoll. Viele Korallenriffe geben ihre Eier und Spermien zu einer bestimmten Uhrzeit, in einer bestimmten Mondphase und zu einer bestimmten Jahreszeit ab. Da werden also Tagesrhythmus, Mondrhythmus und Jahreszeit miteinander verknüpft. Ein anderes berühmtes Beispiel sind die roten Krabben auf der Weihnachtsinsel. Sie leben normalerweise einzeln im Wald. Zu einer bestimmten Jahreszeit, einer bestimmten Mondphase und einer bestimmten Uhrzeit wandern Millionen von ihnen synchron zur Küste. Dann ist praktisch die ganze Insel in Bewegung. Solche Beispiele zeigen, wie präzise Lebewesen Zeitinformationen nutzen.

Für Mondrhythmen eignet sich die Taufliege allerdings nicht, weil sie keinen ausgeprägten Mondrhythmus hat. 

Wie erforscht man solche Rhythmen beim Menschen?

Tessmar-Raible: Beim Menschen kann man vieles nicht so direkt testen wie bei Tieren. Man kann Menschen nicht über Jahre hinweg ohne Zeitinformation isolieren, nur um zu sehen, ob ein Jahresrhythmus von innen heraus weiterläuft. Deshalb gibt es zwei Wege. Der eine sind Beobachtungen und Langzeitstudien: Man schaut, welche Rhythmen es im Verhalten oder in der Physiologie gibt, wie stabil sie sind und wie sehr sie sich zwischen Menschen unterscheiden. Wir wissen zum Beispiel schon bei der täglichen Uhr, dass nicht alle Menschen gleich ticken. Manche sind eher Morgenmenschen, andere eher Abendmenschen. Der zweite Weg sind Modellorganismen. Viele Grundprinzipien innerer Uhren wurden nicht zuerst am Menschen verstanden, sondern an einfacheren Organismen, etwa an der Taufliege. Die Mechanismen, die dort entdeckt wurden, haben dann geholfen, auch die menschliche innere circadiane Uhr besser zu verstehen. Für Mondrhythmen eignet sich die Taufliege allerdings nicht, weil sie keinen ausgeprägten Mondrhythmus hat. Dafür braucht man andere Modellorganismen.

Sie arbeiten derzeit mit Borstenwürmern. Warum?

Tessmar-Raible: Der Borstenwurm hat einen inneren Kalender, der seine Fortpflanzung steuert. Dieser Kalender wird durch Licht gestellt. In der Natur ist es das Mondlicht, genauer gesagt das Vollmondlicht. Es sagt den Tieren: Jetzt ist Vollmond, stellt euren Kalender darauf ein. Uns interessieren dabei mehrere Fragen. Erstens: Wie nimmt der Wurm Mondlicht wahr? Im Labor können wir Mondlicht mit sehr schwachem Licht nachspielen. Aber der Wurm muss nicht nur erkennen, dass Licht da ist. Er muss unterscheiden können: Ist das Sonnenlicht oder Mondlicht? Und welche Mondphase ist es? Zweitens wollen wir verstehen, wie dieser innere Monatskalender auf zellulärer und molekularer Ebene funktioniert. Das verstehen wir noch viel schlechter als bei der täglichen Uhr. Drittens interessiert uns, wie Tagesrhythmus und Monatsrhythmus zusammenspielen. Viele biologische Ereignisse passieren nicht einfach irgendwann, sondern zu einer bestimmten Uhrzeit an einem bestimmten Tag in einem bestimmten Monat. Und viertens fragen wir, wie sehr solche Mechanismen auch bei anderen Organismen vorkommen.

Lichtverschmutzung bringt Systeme durcheinander

Welche Rolle spielt künstliches Licht in der Nacht?

Tessmar-Raible: Künstliches Licht ist ein sehr wichtiger Umweltfaktor. Bei Korallen ist inzwischen gezeigt worden, dass Licht zur falschen Zeit ihre natürlichen Rhythmen stören kann. Das ist ein Problem, weil ihre Fortpflanzung auf eine genaue zeitliche Abstimmung angewiesen ist. Auch bei unseren Borstenwürmern sehen wir im Labor: Wenn sie zur falschen Zeit Licht bekommen, kann man ihre inneren Kalender verwirren. Interessant ist aber, dass nicht jedes Licht zur falschen Zeit gleich schlimm ist. Wenn Licht nur am Anfang der Nacht länger an ist, scheint das weniger problematisch zu sein, als wenn es die ganze Nacht brennt. Daraus könnten sich praktische Konsequenzen ergeben. Zum Beispiel: Beleuchtung an Küsten so ausrichten, dass sie nicht ins Wasser strahlt. Oder Licht nach Mitternacht ausschalten. Solche Maßnahmen könnten helfen, den Menschen und die Umwelt besser miteinander in Einklang zu bringen.

Was bedeutet der Klimawandel für biologische Rhythmen?

Tessmar-Raible: Das ist eine große offene Frage. Der Klimawandel verändert viele Bedingungen, besonders auch im Meer. Wenn Wasser wärmer wird, laufen viele biochemische Prozesse schneller ab. Innere Uhren haben allerdings eine besondere Eigenschaft: Sie können Temperaturveränderungen bis zu einem gewissen Grad ausgleichen. Man nennt das Temperaturkompensation. Das klingt zunächst beruhigend, ist aber kompliziert. Innerhalb eines bestimmten Bereichs läuft die Uhr weiter, als wäre nichts passiert. Der Organismus kann aber trotzdem schon unter Stress stehen. Wenn dann eine Schwelle überschritten wird, kann das System plötzlich zusammenbrechen, ohne dass man vorher deutliche Warnzeichen sieht. Ökologisch wird es noch komplizierter, weil verschiedene Organismen unterschiedlich reagieren. In einem Nahrungsnetz kann eine Art ihre Rhythmen anders verschieben als eine andere. Was früher zeitlich gut zusammengepasst hat – etwa Räuber und Beute oder Fortpflanzung und Nahrungsangebot –, kann auseinanderlaufen.

Wenn wir vorhersagen wollen, wie sich Ökosysteme durch Erwärmung oder künstliches Licht verändern, müssen wir wissen, welche biologischen Prozesse von inneren Uhren gesteuert werden und welche nicht.

Warum ist diese Forschung gerade jetzt wichtig?

Tessmar-Raible: Weil wir viele dieser Zusammenhänge noch nicht gut genug verstehen. Wenn wir vorhersagen wollen, wie sich Ökosysteme durch Erwärmung oder künstliches Licht verändern, müssen wir wissen, welche biologischen Prozesse von inneren Uhren gesteuert werden und welche nicht. Das ist besonders im Meer wichtig, etwa bei Plankton, Korallen, Tiefseemuscheln oder anderen Organismen, die für ganze Ökosysteme eine große Rolle spielen. Je nachdem, ob ein Prozess unter Kontrolle einer inneren Uhr steht oder direkt auf Umweltveränderungen reagiert, kann die Antwort auf den Klimawandel ganz unterschiedlich ausfallen. Es geht also nicht nur darum, dass Lebewesen „irgendwie“ einen Rhythmus haben. Es geht darum, wie Zeit in Organismen eingebaut ist – und was passiert, wenn der Takt der Umwelt sich verändert.