Lebensmuster helfen Menschen und anderen Tieren, im Einklang mit der Natur und in guter Form zu bleiben.
Mehrere Tage lang nach jedem Vollmond im November findet am Great Barrier Reef in Australien ein wundersames Schauspiel statt: Korallen geben Milliarden von Eiern und Spermien ins Wasser ab, die sich zu frei schwebenden Larven vereinen. Diese siedeln sich schließlich an und bilden neue Korallenkolonien.
Korallen sind nicht die einzigen Lebewesen, die ihre Fortpflanzung im Mondlicht synchronisieren. Solche Rhythmen werden typischerweise von zirkularen Uhren gesteuert, einer Form proteingesteuerter biologischer Uhr, die auf den 29,5-Tage-Zyklus zwischen Neumonden abgestimmt ist.
Synchronisierungen
Die meisten vielzelligen Organismen haben eine Art eingebaute biologische Uhr, oder es wird angenommen, dass sie über eine solche verfügen, und viele wichtige Prozesse, einschließlich der Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung, hängen von genauen Zeitabläufen ab. Die Fähigkeit, „im Einklang“ zu bleiben, ist der Schlüssel zum Überleben.
„Zu verstehen, wie die zeitliche Verbindung von Individuen innerhalb und zwischen Arten funktioniert, ist für ökologisch stabile Systeme von entscheidender Bedeutung“, sagte Professorin Kristin Tessmar-Raible, Neurobiologin an der Universität Wien in Österreich.
Eine andere, vielleicht bekanntere Form der biologischen Uhr – die zirkadiane Uhr – moduliert den täglichen 24-Stunden-Schlaf-Wach-Rhythmus als Reaktion auf Umwelteinflüsse wie Licht und Temperatur. Der Name der Uhr setzt sich aus den lateinischen Wörtern „circa“ für „um“ und „dies“ für „Tag“ zusammen.
Dieses komplexe System reguliert alles von Schlaf und Verdauung bis hin zu Stoffwechsel und Stimmung. Forscher beleuchten die Umweltfaktoren, die diese biologischen Rhythmen aus dem Takt bringen können.
Vieles über die „Chronobiologie“ bleibt jedoch unbekannt, einschließlich der Mechanismen auf genetischer und molekularer Ebene.
Mondscheinsignale
Um tiefer einzutauchen, hat Tessmar-Raible im Rahmen der Studie zirkulare Rhythmen bei im Meer lebenden Tieren untersucht Mari.Zeit Projekt, das fünf Jahre bis 2024 läuft.
Einer ihrer Schwerpunkte ist ein Meeresborstenwurm namens Platynereis dumerilii, der in Küstengewässern von gemäßigten bis tropischen Meeren vorkommt.
„Die bisher größte Erkenntnis ist, dass wir einen Photorezeptor – oder eine lichtempfindliche Zelle – entdeckt haben, der dem Organismus Informationen über die Art des Lichts und die Dauer des Mondlichts am Himmel liefert“, sagte Tessmar-Raible.
Das von den Forschern identifizierte L-Cry-Protein gehört zu einer Gruppe lichtempfindlicher Moleküle, die Kryptochrome genannt werden. Das Protein ist wichtig, weil es erklären kann, wie Organismen sich auf eine bestimmte Mondphase synchronisieren können.
Die Forschung legt nahe, dass L-Cry als Torwächter fungiert, der nur das „richtige“ Licht auf die Würmer einwirken lässt. Es kann auch zwischen Lichtstärken in verschiedenen Mondphasen und zwischen Sonnenlicht und Mondlicht unterscheiden.
„Dies kann erklären, wie einzelne Würmer ihre zirkulare Uhr auf die gleiche Mondphase synchronisieren können“, sagte Tessmar-Raible. „Wir haben herausgefunden, dass das Mondlicht neben seiner Rolle bei der monatlichen Zeitplanung auch den genauen Zeitpunkt des nächtlichen Schwarmbeginns auf die dunkelsten Zeiten der Nacht plant, wahrscheinlich um das Überleben und die Fortpflanzung zu optimieren.“
Die Hoffnung ist, dass Mari.Time neue Hinweise darauf liefert, wie menschliche Einflüsse wie künstliches Licht und Klimawandel die Stabilität von Ökosystemen beeinflussen, und Möglichkeiten zur Reduzierung der Auswirkungen vorschlägt.
Das Projekt könnte sogar zur Erforschung der menschlichen Gesundheit beitragen, da immer mehr Beweise dafür vorliegen, dass der Mond Dinge wie Schlaf und Depression beeinflusst.
„Viele Hormone in den von uns untersuchten Wurmarten haben eng verwandte menschliche Gegenstücke“, sagte Tessmar-Raible.
Sie sagte, dass die Erforschung der Mechanismen des Mondzyklus bei Meeresarten das Verständnis anderer monatlicher Muster verbessern könnte. Dazu gehören der Menstruationszyklus und Stimmungsmuster bei bestimmten psychischen Störungen.
Nacht und Tag
Professorin Johanna Meijer, die an der Universität Leiden in den Niederlanden biologische Uhren erforscht, untersucht seit mehr als 30 Jahren zirkadiane Rhythmen bei Tieren.
Ihrer Meinung nach gibt es über die circadiane Uhr noch viel zu entdecken, darunter auch, wie sie bei tagaktiven oder tagaktiven Lebewesen wie dem Menschen funktioniert.
Über nachtaktive Tiere sei viel mehr bekannt, da solche Arten, wie die normalerweise in Labors verwendeten Mäuse, laut Meijer auf molekularer Ebene leichter zu untersuchen seien.
Der Tägliche Gesundheit Das von ihr geleitete Projekt erforscht die Unterschiede zwischen tag- und nachtaktiven Tieren.
Der zirkadiane Rhythmus wird durch eine Gruppe von Nervenzellen im Hypothalamus reguliert, die als suprachiasmatischer Kern (SCN) bekannt ist und als Hauptuhr des Körpers dient.
Da es lichtempfindlich ist, hilft das SCN dabei, den Schlaf-Wach-Rhythmus zu regulieren, indem es sich mit dem natürlichen Hell-Dunkel-Verhältnis der Umgebung synchronisiert.
Wenn das SCN gestört ist, beispielsweise bei Fernreisen oder Schichtarbeit, kann dies nachweislich zu einer Reihe von Gesundheitsproblemen führen, darunter Schlafstörungen, Depressionen, Diabetes und sogar Krebs.
Meijers bahnbrechende Arbeit zum SCN bei tagaktiven Nagetieren wie der Sudanesischen Grasratte und einer Art tagaktiver Erdhörnchen liefert neue Informationen darüber, wie zirkadiane Rhythmen erzeugt und synchronisiert werden.
Die Forschung bietet auch Erkenntnisse darüber, wie Umwelteinflüsse wie Licht, Temperatur und körperliche Aktivität zur Feinabstimmung der inneren Uhr des Körpers genutzt werden.
„Der SCN kann Licht-Input und auch Verhaltens-Input wahrnehmen, und dieser Verhaltens-Input kann die Uhr stärken“, sagte Meijer. „Ist das nicht erstaunlich? Unser eigenes Verhalten ist also tatsächlich Teil einer Rückkopplungsschleife.“
Das bedeutet, dass externe Signale potenziell genutzt werden könnten, um Störungen des inneren Körperrhythmus zu beheben. Licht ist der erste Kandidat, aber auch andere Faktoren wie Bewegung, Temperatur und Essenszeiten spielen eine Rolle.
Lichtstärken, Farben
Die vom Team genutzten Durchbrüche in der Bildgebungstechnologie haben es ermöglicht, das SCN in beispielloser Detailgenauigkeit zu beobachten.
Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zellen tagaktiver Nagetiere weniger auf Licht reagieren als die ihrer nachtaktiven Artgenossen.
„Das deutet darauf hin, dass tagaktive Tiere und Menschen mehr brauchen als nachtaktive Tiere, damit sie genug Licht für ihre Uhr haben“, sagte Meijer.
In separaten Untersuchungen schien die Lichtstärke die Serotoninsynthese bei tagaktiven Ratten stärker zu beeinflussen als bei nachtaktiven. Da Serotonin die Stimmung, Emotionen und den Appetit beeinflusst, könnten solche Erkenntnisse Auswirkungen auf menschliche Erkrankungen wie Depressionen haben.
Das Team fand auch direktere Beweise dafür, dass die zirkadiane Uhr durch verschiedene Lichtfarben beeinflusst wird, und nicht nur durch den blauen Teil des sichtbaren Spektrums, der oft für die schädlichen Auswirkungen künstlicher Nachtlichter und Bildschirme auf elektronischen Geräten verantwortlich gemacht wird.
Blaues Licht ist dafür bekannt, dass es den zirkadianen Rhythmus stört und Menschen wachsam statt müde macht. Aber von den vom Team getesteten Farben wirkten sich auch grünes und orangefarbenes Licht auf die zirkadiane Uhr aus, und nur Violett zeigte wenig Einfluss.
„Es ist eine Art Warnung, dass man sich nicht nur von blauem Licht fernhalten kann, wenn man seine Uhr nicht stören möchte“, sagte Meijer.
Auswirkungen auf die ganze Erde
Das Ergebnis beider Projekte ist ein viel detaillierteres Verständnis der genauen Mechanismen der inneren biologischen Uhren in Lebewesen und ihrer Bedeutung für die Funktionsweise von Menschen und anderen Tieren.
Die Erkenntnisse können zu neuen, wirksamen Empfehlungen zur Verbesserung von Lebensstilmustern und zum Schutz der natürlichen Umwelt führen.
Meijer betonte, wie wichtig es sei, dass sich diese Dinge nicht nur auf Menschen, sondern auf alle Ökosysteme auswirken.
„Nach Milliarden Jahren der Evolution ist der Hell-Dunkel-Zyklus gut für Tiere“, sagte sie. „Jetzt werfen wir Licht über die Erde, als ob es harmlos wäre – und das ist es nicht.“