Langschläfer oder Frühaufsteher: wie unsere biologische Uhr tickt

Die biologische Uhr ist eine Sonnenuhr

Tagesrhythmische Prozesse wie Wachen und Schlafen stehen unter dem Diktat einer uns angeborenen biologischen Uhr. Da der sogenannte zirkadiane Rhythmus [lat. circa diem = "ungefähr ein Tag"] durch den Wechsel von Tag und Nacht festgelegt ist, beträgt auch die Periodenlänge unserer inneren Uhr etwa vierundzwanzig Stunden. Als Sitz dieses inneren Schrittmachers wurde von den Neurobiologen eine bestimmte Hirnstruktur mit dem zungenbrecherischen Namen nucleus suprachiasmaticus lokalisiert. Die Synchronisation dieses primären chronobiologischen Zentrums [griech. chronos = "Zeit"] mit der natürlichen Tageslänge erfolgt über das Sonnenlicht (präziser: über die Abfolge von Hell und Dunkel), das unsere Augen aufnehmen und als Reizmeldung über die Sehnerven an das Gehirn weiterleiten.

Frühaufsteher und Morgenmuffel

Menschen kommen in der Regel entweder als Frühaufsteher oder als Morgenmuffel zur Welt. Der Frühaufsteher hat kein Problem, beim ersten Morgengrauen aus dem Bett zu springen und aktiv zu werden. Der Morgenmuffel hingegen benötigt mehr Zeit, um zu sich zu kommen und um zu seiner Hochform zu finden. Doch was der Frühaufsteher dem Morgenmuffel voraus hat, holt dieser wieder auf, wenn der Frühaufsteher ermattet in die Kissen sinkt. Beide Chronotypen - im Volksmund "Lerche" und "Eule" genannt - werden von ihrer biologischen Uhr determiniert.

Bemerkenswert ist jedoch, dass die angeborene innere Uhr ihre Einstellung nicht für das ganze Leben beibehält. So verwandeln sich bereits während der Pubertät die tagaktiven Lerchen in nachtschwärmerische Eulen - sehr zum Leidwesen der Eltern und Großeltern, die meist weniger Durchhaltevermögen zeigen und dies einem schweren Arbeitstag geschuldet wissen wollen. Doch der Hinweis auf das ermüdende Tagwerk beinhaltet - wie wir noch sehen werden - nicht die ganze Wahrheit.

Wie aus Nachtschwärmern Frühaufsteher werden

Auch die innere Uhr der pubertierenden Jugendlichen bleibt nicht dauerhaft auf nachtaktiv gestellt. Ab etwa dem zwanzigsten Lebensjahr setzt eine weitere, allmähliche Verschiebung in die entgegengesetzte Richtung ein, die sich bis in das hohe Alter hinein kontinuierlich fortsetzt. Der erwachsene Mensch durchläuft demnach - ob er will oder nicht - einen kompletten Übergang vom Morgenmuffel zum Frühaufsteher. Das kuriose Ergebnis dieser Verwandlung: Jugendliche können sich nahezu ermüdungsfrei "bis in die Puppen" ihrem spätabendlichen Zeitvertreib widmen, während ihre Eltern noch vor Beginn der öffentlich-rechtlichen Spätnachrichten ermattet wegnicken. Die Senioren hingegen drängeln sich bereits morgens um sieben Uhr, wenn sich ihre Enkel noch die Bettdecke über den Kopf ziehen, vor den Türen der Kaufhallen.

Nicht nur das Gehirn besitzt eine innere Uhr

Die zirkadianen Rhythmen scheinen also gar nicht so starr und unflexibel zu sein, wie es uns das Bild von der mit unerbittlicher Präzision tickenden inneren Uhr glauben machen will. Doch welche Ursachen sind dafür verantwortlich, dass wir im Laufe unseres Lebens vom Spättyp zum Frühtyp umgepolt werden? Eine erste Antwort auf diese Frage haben Schweizer Wissenschaftler um die Professoren Anne Eckert (Basel) und Steven Brown (Zürich) gefunden und im April 2011 in der amerikanischen Fachzeitschrift PNAS veröffentlicht.

Es mag überraschen, doch die im Gehirn tätige biologische Uhr ist nicht der einzige Taktgeber im Organismus. Sie steht vielmehr in Verbindung mit speziellen Genen, die die Mehrzahl der fünfzigtausend Milliarden Zellen unseres Körpers kontrollieren. Diese "Chrono-Gene" steuern die molekularen Rhythmen in den Zellen und üben gleichzeitig durch ihr hochkomplexes und noch kaum erforschtes Zusammenspiel Einfluss auf die Periodenlänge der inneren Uhr im nucleus suprachiasmaticus aus. Um den zirkadianen molekularen Mechanismen in den Zellen und den daraus resultierenden chronobiologischen Veränderungen im Gehirn auf die Spur zu kommen, hat sich der in Zürich forschende Prof. Steven Brown ein elegantes Experiment ausgedacht.

Ein Gen der Feuerfliege macht die innere Uhr in den Zellen sichtbar

Da sich zelluläre Vorgänge im lebenden Organismus nicht direkt erforschen lassen, mussten die Wissenschaftler zunächst Körperzellen isolieren und in Kultur zu nehmen (mikroskopisches Foto I). Zu diesem Zweck wurden Testpersonen zweier verschiedener Altersgruppen Hautproben entnommen und die darin enthaltenen Bindegewebszellen (Fibroblasten) in sterilen Nährlösungen kultiviert. Die Probandengruppen bestanden aus

• achtzehn jüngeren Personen zwischen einundzwanzig und dreißig Jahren und
• achtzehn älteren Personen zwischen sechzig und achtundachtzig Jahren.

Obwohl die Fibroblasten auch unter Zellkulturbedingungen der zirkadianen Rhythmik unterworfen sind, lassen sich die intrazellulären Mechanismen, die für das vom Alter abhängige Vorstellen der inneren Uhr verantwortlich sind, auch in der Zellkultur nicht unmittelbar beobachten. Dazu bedurfte es eines molekularbiologischen Tricks: die Forscher schleusten mit Hilfe von Viren ein Gen der Feuerfliege in die Hautzellen ein. Das Gen, das in den Insekten für die Bioluminiszenz, also für deren charakteristisches Leuchten im Dunkeln verantwortlich ist, bleibt auch in den menschlichen Fibroblasten aktiv. Da das menschliche Chrono-Gen in den Bindegewebszellen das Feuerfliegen-Gen unter seine Kontrolle bringt, lässt sich die Aktivität der intrazellulären Uhr durch das Leuchten der Zellkulturen unmittelbar sichtbar machen (mikroskopisches Foto II). Die durch die Bioluminiszenz der Zellen hervorgerufene Lichtabstrahlung können die Forscher messen und somit die Periodenlängen der zellulären Uhren optisch ermitteln.

Beeinflussen Hormone die innere Uhr?

Obwohl sich die Testpersonen hinsichtlich ihres Alters und ihres Schlafverhaltens deutlich unterschieden, zeigten die individuellen zellulären Uhren in den Zellkulturen zur Überraschung der Wissenschaftler keinerlei Unterschiede in der zirkadianen Periodenlänge. Warum aber liefen die Chrono-Gene in den kultivierten Zellen nicht synchron zu den zirkadianen Rhythmen der jeweiligen Testpersonen?

Einen ersten Hinweis fanden die Forscher, als sie das in der Zellkultur standardmäßig verwendete Kälberserum in der Nährlösung durch humanes Blutserum ersetzten. Drastische Änderungen der Periodenlängen waren die verblüffende Folge. Stammte das Serum von älteren Blutspendern, verkürzte sich die zirkadiane Periode der Zellen auf ein Maß, das dem von Frühaufstehern entspricht. Wurde den Zellen hingegen Serum von jungen Personen angeboten, war keine Verkürzung der Periode zu beobachten.

Die Wissenschaftler schließen daraus, dass unsere innere Uhr und somit unser tagesrhythmisches Verhalten im Laufe unseres Lebens von Faktoren verändert wird, die in unserem Blutkreislauf zirkulieren. Es wird vermutet, dass es zwischen diesen noch unbekannten Molekülen im Blutserum und dem Hormonhaushalt des Körpers Zusammenhänge gibt. Dies würde eine wirksamere medikamentöse Beeinflussung des Schlafverhaltens zukünftig möglich erscheinen lassen.

Quelle: Pagani L, Schmitt K, Meier F, Izakovic J, Roemer K, Viola A, Cajochen C, Wirz-Justice A, Brown SA, Eckert A: Serum factors in older individuals change cellular clock properties. Proc Natl Acad Sci USA 26; 108 (17): 7218-23; 2011