mini|Video: Was bestimmt unser Schlafverhalten? (1:29 min) – Die circadiane Rhythmik steuert die Ausschüttung vom Schlafhormon Melatonin und Stresshormon Cortisol. Aufgrund der zeitlichen Verschiebung der circadianen Rhythmik werden Menschen mit den Chronotypen „Lerche“ und „Eule“ charakterisiert.|thumbtime=83 mini|Wie funktioniert der menschliche Tag-Nacht-Rhythmus? Erklärvideo (0:38 min)
Als circadiane Rhythmik (auch: zirkadianer Rhythmus) bezeichnet man in der Chronobiologie zusammenfassend die endogenen (inneren) Rhythmen, die eine Periodenlänge von circa 24 Stunden und bei vielen Lebewesen großen Einfluss auf die Funktionen des Organismus haben. Sie entstanden als Anpassung an die sich im Tagesrhythmus ändernden Umweltbedingungen.
Die offensichtlichste Folge bei vielen Tierarten und beim Menschen ist der Schlaf-Wach-Rhythmus. Allerdings weisen neben der Aktivität noch viele weitere physiologische Parameter eine Rhythmizität mit 24-stündiger Periode auf. Die circadiane Rhythmik lässt sich auch auf der Ebene einzelner Zellen nachweisen. Der Nobelpreis für Medizin/Physiologie wurde im Jahr 2017 an drei Chronobiologen verliehen, die bei Untersuchungen der Fruchtfliege Drosophila melanogaster molekulare Mechanismen der circadianen Rhythmik entschlüsseln konnten.
Es gibt auch biologische Rhythmen, deren Periode deutlich kürzer oder länger als ein Tag ist (siehe ultradiane Rhythmik bzw. infradiane Rhythmik).
Terminologie Das Adjektiv circadian – oder mit eingedeutschter Schreibweise zirkadian – kann als „rings um den Tag“ (lateinisch circa „um …herum“, dies „Tag“) verstanden werden.Zirkadian. In: DocCheck Flexikon. Dieselbe Angabe zur Wortbildung findet sich beim Stichwort zirkadian im Pschyrembel. Franz Halberg, der die Bezeichnung im Jahr 1959 einführte,F. Halberg, A. N. Stephens: Susceptibility to ouabain and physiologic circadian periodicity. In: Proc. Minn. Acad. Sci., 1959, Band 27, S. 139–143. verband mit circa vor allem die Bedeutung „ungefähr“, so dass circadian in seinem Sinne mit „ungefähr einen Tag lang“ zu übersetzen wäre.F. Halberg, G. Cornélissen, G. Katinas, E. V. Syutkina, R. B. Sothern, R. Zaslavskaya, F. Halberg, Y. Watanabe, O. Schwartzkopff, K. Otsuka, R. Tarquini, P. Frederico, J. Siggelova: Transdisciplinary unifying implications of circadian findings in the 1950s. In: Journal of circadian rhythms, Oktober 2003, Band 1, Nummer 1, S. 2, doi:10.1186/1740-3391-1-2, PMID 14728726, : Siehe Abschnitt When and why did you create the term “circadian”?
Halberg gab später die Auskunft, er sei auf das Wort circadian schon vor 1951 aufmerksam geworden, als sein Freund Henry Nash Smith es verwendete. In den 1950er Jahren suchte Halberg nach einer Alternative für das zweideutige Wort diurnal, das einerseits „bei Tageslicht“ und andererseits „24-stündig“ bedeuten kann. Außerdem wollte Halberg „24-stündig“ und „ungefähr 24-stündig“ unterscheiden können, da Tagesrhythmen in Organismen nur ungefähr eine Periodenlänge von 24 Stunden haben, insbesondere wenn sie nicht vom Tageslicht synchronisiert werden. Im Jahr 1955 schlug er zunächst die Wortschöpfungen diel für „24 Stunden lang“ und dieloid für „ungefähr 24 Stunden lang“ vor, die allerdings keinen Anklang fanden. Im Jahr 1959 verwendete Halberg die Bezeichnungen dian für „24 Stunden lang“ und circadian für „ungefähr 24 Stunden lang“. Kritische Kollegen wandten daraufhin ein, dass das Nebeneinander der zwei Bezeichnungen verwirrend sei. So verzichtete Halberg auf dian – und die Bezeichnung circadian setzte sich durch.
Umgangssprachlich wird die Gesamtheit circadianer Rhythmen auch als die „innere Uhr“ bezeichnet.
Grundlagen
Funktion Aufgrund der Rotation der Erde um ihre eigene Achse verändern sich Umweltbedingungen wie die Menge an Licht, die Temperatur sowie die Verfügbarkeit von Nahrung und die Bedrohung durch Fressfeinde rhythmisch mit einer Periode von 24 Stunden. Wenn Lebewesen sich auf solche tiefgreifenden Veränderungen einstellen, haben sie einen Überlebensvorteil.
Auch auf zellulärer Ebene unterliegen unzählige chemische Reaktionen einer circadianen Rhythmik. Die innere Uhr dient bei mehrzelligen Organismen dazu, die in praktisch jeder Zelle vorhandenen Uhren miteinander zu synchronisieren, um wichtigen Funktionen des Gesamtorganismus einen zeitlichen Rahmen zu geben. Man geht davon aus, dass alle Eukaryoten circadiane Rhythmen in praktisch jeder ihrer Zellen aufweisen. Insbesondere müssen unkompatible chemische Reaktionen zeitlich voneinander getrennt werden.
In einer Studie an Mäusen konnte gezeigt werden, dass 43 % aller für Proteine kodierenden Gene im Mäuseorganismus mit einem Rhythmus von 24 Stunden transkribiert werden. Auch Insekten sind auf eine funktionierende circadiane Uhr angewiesen. So passt eine Biene, die ihren Artgenossinnen mittels Schwänzeltanz Informationen über Futterquellen mitteilt, den Winkel etwa alle 5 Minuten an, weil sich die Sonne, welche als Orientierungspunkt für die Ortsangabe dient, in der Zwischenzeit weiterbewegt hat. Auch für die Organisation des Sozialwesens des Bienenstocks sind circadiane Rhythmen und deren interindividuelle Synchronisation von großer Bedeutung.
Pflanzen passen ihre Aktivität an den Tag-Nacht-Wechsel an. Noch vor Sonnenaufgang aktivieren sie ihren Photosyntheseapparat und bereiten sich damit auf den Beginn der Photosynthese vor, die bei Tageslicht stattfindet. Viele Pflanzen öffnen und schließen ihre Blüten und Spaltöffnungen zu bestimmten Tageszeiten (siehe die Blumenuhr von Linné). Andere Pflanzen, deren Blüten mehrere Tage hintereinander geöffnet sind, produzieren Duftstoffe und Nektar nur zu bestimmten Uhrzeiten. Bestäubende Insekten wie die Bienen stellen ihre Besuche darauf ein.
Auch im Reich der Pilze haben sich circadiane Rhythmen als Anpassung an eine sich regelmäßig ändernde Umwelt herausgebildet. So unterliegt etwa die Fortpflanzung des Pilzes Neurospora crassa der Steuerung einer inneren Uhr.
Der einfachste Organismus, in dem eine circadiane Uhr nachgewiesen werden konnte, ist Synechococcus elongatus aus der Gattung Synechococcus der Cyanobakterien. Wie verbreitet circadiane Uhren in anderen Prokaryoten sind, ist noch weitgehend offen.
Eigenschaften der circadianen Rhythmik Obwohl der biologische Hintergrund und die Mechanismen für circadiane Rhythmen zwischen verschiedenen Organismen unterschiedlich sind, haben die circadianen Rhythmen bestimmte Eigenschaften, die vielen Arten gemeinsam sind. Die genaue Periodenlänge kann zwischen verschiedenen Arten variieren, beträgt aber meist 22 bis 25 Stunden. Der innere Rhythmus benötigt keine Signale von der Außenwelt, um seinem Rhythmus zu folgen, der jedoch nicht immer genau 24 Stunden lang ist. Der Prozess kann sich jedoch einem genauen 24-Stunden-Zyklus anpassen, indem er sich mit Hilfe von äußeren Reizen, den sogenannten Zeitgebern, korrigiert. Diesen Prozess nennt man Synchronisation bzw. Entrainment. Die externen Reize, die als Zeitgeber dienen können, sind für verschiedene Arten unterschiedlich, aber der wichtigste ist oftmals das Licht.N. Cermakian, P. Sassone-Corsi: Environmental stimulus perception and control of circadian clocks. In: Curr Opin Neurobiol., 2002, 12(4), S. 359–365. Weitere Zeitgeber sind bei einigen Arten beispielsweise die UmgebungstemperaturL. Rensing, P. Luoff: Temperature effect on entrainment, phase shifting, and amplitude of circadian clocks and its molecular bases. In: Chronobiol Int. 2002, Band 19, Nr. 5, S. 807–864. und soziale Reize (z. B. der Wecker).
Merkmale echter biologischer Uhren sind: ihr endogener Charakter, das heißt, dass der Rhythmus auch unter konstanten Umweltbedingungen aufrechterhalten wird (Freilauf). die Tatsache, dass sie „entrainbar“ sind, was heißt, dass sie trotz ihrer eigenen Rhythmizität ihre Periode in gewissen Grenzen an die Rhythmizität der Umgebungsbedingungen anpassen können (Fähigkeit zum Entrainment). die relative Unempfindlichkeit gegenüber nichtrhythmischen Temperaturveränderungen (Temperaturkompensiertheit), was insofern ungewöhnlich ist, als fast alle anderen (bio)chemischen Reaktionen in ihrer Geschwindigkeit sehr stark von der Temperatur abhängen. Man geht bei gewöhnlichen chemischen Reaktionen von einer Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit pro 10 °C Temperaturerhöhung aus (RGT-Regel).
Periodenlänge (τ) Ein circadianer Rhythmus ist durch eine bestimmte Periodenlänge gekennzeichnet, das heißt, dass jede Wiederholung eine gewisse Zeit dauert. Die Periodenlänge wird oft mit dem griechischen Buchstaben Tau (τ) bezeichnet und dauert für die meisten Organismen rund 24 Stunden. Wenn ein Organismus in einer konstanten Umwelt gehalten wird, das heißt mit einer konstanten Lichtmenge und Temperatur rund um die Uhr, so wird er einem Tageszyklus folgen, dessen Länge von seiner inneren Uhr abhängt. Im Laufe der Zeit kann die innere Uhr mehr und mehr vom Verlauf der wahren Zeit abweichen.
Die Periodenlänge der inneren Uhr hängt von der genetischen Ausstattung ab, und es ist möglich, Organismen zu züchten, die eine interne Uhr mit längerer oder kürzerer Periodenlänge haben. Man kann auch das τ eines Organismus mit Drogen oder Hormonen manipulieren oder durch Manipulation der Umwelt des Organismus verändern.R. E. Mistlberger, B. Rusak: Circadian Rhythms in Mammals: Formal Properties and Environmental Influences. In: M. H. Kryger, T. Roth, W. C. Dement (red): Principles and practice of sleep medicine. 4. Auflage. Saunders, Philadelphia 2005, ISBN 0-7216-0797-7, S. 321–334. Das Alter des Organismus beeinflusst ebenfalls die Periodenlänge der inneren Uhr. In einigen Organismen, wie dem Menschen, nimmt τ mit zunehmendem Alter ab,J. F. Duffy, C. A. Czeisler: Age-related change in the relationship between circadian period, circadian phase, and diurnal preference in humans. In: Neurosci Lett., 2002, Band 318, Nr. 3, S. 117–120.C. Pittendrigh, S. Daan: Circadian oscillations in rodents: A systematic increase in their frequency with age. In: Science, 1974, Band 186, S. 548–550. während τ in anderen Organismen, z. B. Mäusen, mit dem Alter zunimmt.V. S. Valentinuzzi, K. Scarbrough, J. S. Takahashi, F. W. Turek: Effects of aging on the circadian rhythm of wheel-running activity in C57BL/6 mice. In: Am J Physiol., 1997, Band 273, S. R1957–R1964. Es ist auch möglich, τ durch artifizielles Licht zu verändern. Schaben, die in einem 22-Stunden-Zyklus exponiert werden, entwickelten eine kürzere Periodenlänge als Schaben, die in einem 26-Stunden-Zyklus exponiert wurden. Diese Effekte bestehen lange fort, auch nachdem das Experiment beendet ist.T. L. Page, C. Mans, G. Griffeth: History dependence of circadian pacemaker period in the cockroach. In: J Insect Physiol., 2001, Band 47, Nr. 9, S. 1085–1093.Effects of light on circadian pacemaker development. I. The freerunning period. In: J Comp Physiol [A], 1989, Band 165, Nr. 1, S. 41–49.
Phase (Φ) und Phasenwinkel (ψ) Der Zeitpunkt gemäß der inneren Uhr, wenn der Organismus „erwartet“, dass ein bestimmtes Ereignis stattfinden wird (z. B. Sonnenaufgang oder Sonnenuntergang), wird Phase genannt. Die Phase wird mit dem griechischen Symbol Phi (Φ) bezeichnet.
Ein Beispiel dafür, dass sich die subjektive (circadiane) Zeit der inneren Uhr und die objektive Zeit unterscheiden können, ist der Jetlag. Der Unterschied zwischen circadianer und objektiver Zeit wird mit dem griechischen Buchstaben Psi (ψ) bezeichnet. Er kann entweder in Stunden oder als Phasenwinkel, das heißt als Gradmaß, ausgedrückt werden. Ein Phasenwinkel von 180° entspricht einer Differenz von 12 Stunden.
microRNA Im Jahr 2021 stellte sich heraus, dass microRNA an der Einstellung der Periodenlänge entscheidend beteiligt ist. Dabei ist sowohl die Menge der microRNA von Bedeutung (Dosisabhängigkeit) als auch der Gewebetyp (Lunge, Gehirn, Netzhaut).
Phasenverschiebung