Im April dieses Jahres kam die spanische Sportlerin Beatriz Flamini nach einem 500-tägigen Aufenthalt in einer Höhle ans Licht. Ihr Abstieg in den Untergrund ist wahrscheinlich die am längsten durchgeführte bei weitem. Flamini sagt, sie habe am 65. Tag jegliches Zeitgefühl verloren. Aber kann sie wirklich sicher sein, dass es der 65. Tag war? Zum Vergleich: Im Jahr 1962 tauchte der Franzose Michel Siffre aus der Scarasson-Schlucht in Italien auf, nachdem er dort seiner Meinung nach 33 Tage verbracht hatte. Tatsächlich hat er ausgegeben 58 Tage unter der Erde.
Das Ticken der Lebensuhren
Wie können isolierte Menschen die Zeit regelmäßig im Auge behalten, auch wenn sie von ihrer Umgebung abgekoppelt sind? Ganz einfach, weil biologische Rhythmen das Herzstück des Lebens sind und es von der molekularen Ebene bis hin zur Ebene des gesamten Körpers regulieren. Dazu gehören nicht nur unsere Schlaf-Wach-Zyklen, sondern auch Körpertemperatur, Hormone, Stoffwechsel und das Herz-Kreislauf-Systemum nur einige zu nennen.
Und diese Rhythmen haben vielfältige Auswirkungen, nicht zuletzt im Hinblick auf die öffentliche Gesundheit. Tatsächlich sind eine Reihe von Krankheiten episodisch – zum Beispiel Asthma ist nachts schlimmer, während Herz-Kreislauf-Unfälle morgens häufiger auftreten. Ein weiteres Beispiel ist Schichtarbeit, die Menschen von ihrer Umgebung entkoppelt. Es kann mit einem erhöhten Krebsrisiko bei Arbeitnehmern verbunden sein, was die WHO dazu veranlasst, es als Krebs zu kennzeichnen wahrscheinlich krebserregend.
Rhythmen beeinflussen auch, wie wir mit anderen Arten interagieren. Beispielsweise ist die Afrikanische Trypanosomiasis, auch Schlafkrankheit genannt, eine Störung unseres Tagesrhythmus verursacht durch den Parasiten Trypanosoma brucei, dessen Der Stoffwechsel erfolgt ebenfalls täglich– genau wie bei uns Immunität.
Gene: die großen Uhrmacher
Die Rotationen von Erde, Mond und Sonne erzeugen Umweltzyklen, die die Selektion begünstigt haben biologische Uhren.
Eine biologische Uhr ist ein interner Mechanismus von Organismen, der in Abwesenheit eines Umweltsignals auf seiner eigenen Frequenz arbeitet. Der regelmäßige Wechsel von Tag und Nacht hat beispielsweise die Entwicklung der circadianen Uhr (circa bedeutet „ungefähr“ und diem „Tag“) begünstigt.
Der Der circadiane Uhrmechanismus wurde erstmals bei der Fruchtfliege entdeckt, auch bekannt als Drosophila, in den 1970er Jahren. Es basiert auf Rückkopplungsschleifen in der Transkription und Übersetzung mehrerer Gene – Gen A fördert die Expression von Gen B, das wiederum die Expression von Gen A hemmt – und erzeugt so eine Oszillation. Tagsüber induziert Licht über einen Photorezeptor namens Cryptochrom die Verringerung spezifischer Faktoren der Schleife. Interessanterweise umfassen die Schlüsselfaktoren des Mechanismus im Wesentlichen nur wenige genannte Gene Periode, zeitlos, Uhr und Zyklus. Die Feinabstimmung und Regulierung der Uhr basiert jedoch auf einem komplexen molekularen und neuronalen Netzwerk, das für deren Taktung und Präzision sorgt.
Es gibt keine einzige, übergreifende zirkadiane Uhr, die das gesamte Leben organisieren würde, da die Uhrengene von Art zu Art unterschiedlich sind. Aber das Prinzip bleibt dasselbe: Gene, deren Expression schwankt. Biologische Rhythmen wurden in allen bisher untersuchten Taxa (Organismusgruppen) beschrieben, zu denen Cyanobakterien (eine Bakterienart, die Energie durch Photosynthese gewinnt), Pilze, Pflanzen und Tiere, einschließlich des Menschen, gehören.
Darüber hinaus synchronisieren verschiedene Zeitgeber (Zeitgeber) den Organismus mit seiner Umgebung: insbesondere Licht (das bisher am besten untersuchte), Temperatur und Nahrung.
Eine interne Uhr, die von der Umgebung synchronisiert wird
Eine sehr konkrete Auswirkung dieser zirkadianen Uhr betrifft Jetlag. Dabei handelt es sich um die Abweichung des inneren Rhythmus einer Person von der Zeit der Zeitzone, in der sie sich befindet.
Umweltsignale im Allgemeinen und Licht im Besonderen tragen dazu bei, den Einzelnen neu zu synchronisieren: Licht, das am Ende der Nacht wahrgenommen wird, stellt die Uhr vor, während Licht, das zu Beginn der Nacht wahrgenommen wird, sie verzögert. Tagsüber wahrgenommenes Licht hat keinen Einfluss. Beim Menschen wird Licht nicht direkt von der molekularen Uhr wahrgenommen, sondern in der Netzhaut eingefangen und dann über den retino-hypothalamischen Weg an eine zentrale Uhr weitergeleitet, wo es die Synthese von Uhrproteinen moduliert. Allerdings ist das System nicht unbegrenzt skalierbar: Der menschliche Körper braucht etwa einen Tag, um sich an einen Zeitunterschied von einer Stunde anzupassen.
Mit der intrinsischen zirkadianen Periode des Homo sapiens durchschnittlich 24,2 Stunden, ist es für uns einfacher, nach Westen zu reisen und unsere Tage zu verlängern, als nach Osten zu reisen und sie zu verkürzen. Dies ist auch der Grund, warum Sportler und Forscher, die sich in den Tiefen der Erde isolieren, am Ende nicht mehr mit der Zeit an der Oberfläche synchronisiert sind und letztendlich weniger Tage als 24-Stunden-Sonnentage wahrnehmen.
Andere Zeiten, andere Uhren
Die circadiane Uhr ist nicht der einzige Uhrmechanismus, der in der Natur existiert. Viele biologische Prozesse sind saisonalB. die Wanderung einer Vielzahl von Vögeln und Insekten, die Fortpflanzung und den Winterschlaf vieler Tierarten sowie die Blüte von Pflanzen. Diese Saisonalität wird im Allgemeinen durch mehrere Faktoren bestimmt, unter anderem durch das, was als a bezeichnet wird Jahresuhr bei vielen Arten. Der Mechanismus dieser Uhr ist noch nicht geklärt.
Auch die Uhrmechanismen bei Meereslebewesen sind unbekannt, teilweise aufgrund der komplexe zeitliche Struktur. Meeresorganismen sind dem Sonnenzyklus des Wechsels von Tag und Nacht ausgesetzt, der einer Reihe von Mondzyklen überlagert ist, von denen der Gezeitenzyklus (mit einer Periode von 12,4 Stunden oder 24,8 Stunden) der wichtigste ist. Die Halbmond- und Mondzyklen (14,8 Tage/29,5 Tage), die mit den Mondphasen verbunden sind, beeinflussen durch Licht und Gezeiten auch stark die Meeresumwelt. Auch die Jahreszeiten beeinflussen diese Ökosysteme.
Die zeitliche Struktur der Meeresumwelt ist zwar komplex, aber vorhersehbar, und mit all diesen Zyklen verbundene biologische Rhythmen wurden bei Meeresarten beschrieben. Zum Beispiel viele Korallen synchronisieren ihre ReproduktionSie legen einmal im Jahr über einen sehr kurzen Zeitraum Eier. Manche Meereswürmer schwärmen präzise einmal pro Monatin den dunkelsten Stunden der Nacht, um ihren Fortpflanzungstanz zu beginnen, bevor sie laichen und sterben.
Interessanterweise hat unser Wissenschaftlerteam im Jahr 2020 herausgefunden, dass biologische Rhythmen nicht auf die Küstenumgebung beschränkt sind. Wir haben es tatsächlich gezeigt Rhythmen im Verhalten und in der Genexpression in einer Tiefe von 1.700 Metern, in einer Muschel, die in den hydrothermalen Quellen des Mittelatlantischen Rückens lebt. Unsere Arbeit unterstreicht, dass die zeitliche Koordination in der Physiologie wahrscheinlich selbst in den extremsten Lebensumgebungen wie der Tiefsee von entscheidender Bedeutung ist.
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