Nach jedem November-Vollmond ereignet sich am Great Barrier Reef in Australien über mehrere Tage hinweg ein faszinierendes Schauspiel: Die Korallen setzen Milliarden von Eiern und Spermien ins Wasser frei, die sich zu frei schwimmenden Larven verbinden. Diese siedeln sich schließlich an und bilden neue Korallenkolonien.

Nicht nur Korallen, sondern auch andere Lebewesen synchronisieren ihre Fortpflanzung mit dem Licht des Mondes. Solche Rhythmen werden üblicherweise von zirkalunaren Uhren gesteuert, einer speziellen Art von proteinbasierten biologischen Uhren, die auf den 29,5-tägigen Zyklus zwischen den Neumonden abgestimmt sind.

Synchronisationen

Die meisten mehrzelligen Organismen verfügen über eine eingebaute biologische Uhr oder es wird angenommen, dass sie eine solche haben. Viele essenzielle Prozesse, wie beispielsweise die Nahrungsaufnahme und Fortpflanzung, sind von präzisen Zeitangaben abhängig. Die Fähigkeit, „im Takt“ zu bleiben, ist entscheidend für das Überleben.

„Das Verständnis der zeitlichen Interaktion von Individuen innerhalb und zwischen verschiedenen Arten ist entscheidend für ökologisch stabile Systeme“, erklärt Professorin Kristin Tessmar-Raible, Neurobiologin an der Universität Wien in Österreich.

Eine weitere, möglicherweise bekanntere Form der biologischen Uhr ist die zirkadiane Uhr, die den täglichen 24-Stunden-Schlaf-Wach-Zyklus in Abhängigkeit von Umweltreizen wie Licht und Temperatur moduliert. Der Name der Uhr leitet sich von den lateinischen Wörtern „circa“, was „um“ bedeutet, und „dies“, was „Tag“ bedeutet, ab.

Dieses komplexe System reguliert alles, vom Schlaf über die Verdauung bis hin zu Stoffwechsel und Stimmung. Forscher beleuchten die Umweltfaktoren, die diese biologischen Rhythmen aus dem Gleichgewicht bringen können.

Jedoch sind viele Aspekte der Chronobiologie noch unerforscht, darunter auch die genetischen und molekularen Mechanismen, die damit einhergehen.

Mondschein-Signale

Im Rahmen des von der EU finanzierten Mari.Time-Projekts, das bis 2024 fünf Jahre lang läuft, hat Tessmar-Raible die zirkalunaren Rhythmen von Meeresbewohnern untersucht. Einer ihrer Schwerpunkte liegt auf dem marinen Borstenwurm Platynereis dumerilii, der in Küstengewässern von gemäßigten bis tropischen Meeren verbreitet ist.

„Das Bedeutendste, was wir bisher herausgefunden haben, ist, dass wir einen Photorezeptor – eine lichtempfindliche Zelle – entdeckt haben, der dem Organismus Informationen über die Art des Lichts und die Dauer des Mondlichts am Himmel liefert“, erklärt Tessmar-Raible.

Das von den Forschern identifizierte L-Cry-Protein gehört zu einer Gruppe von lichtsensitiven Molekülen, die als Cryptochrome bezeichnet werden. Das Protein ist von Bedeutung, da es dabei helfen kann zu erklären, wie Organismen in der Lage sind, sich auf eine bestimmte Mondphase einzustellen.

Die Forschung deutet darauf hin, dass L-Cry als Torwächter fungiert, der nur das „richtige“ Licht auf die Würmer einwirken lässt. Er kann auch zwischen den Lichtverhältnissen in verschiedenen Mondphasen und zwischen Sonnen- und Mondlicht unterscheiden.

„Das kann erklären, wie einzelne Würmer in der Lage sind, ihre zirkalunare Uhr auf dieselbe Mondphase zu synchronisieren“, sagte Tessmar-Raible. „Wir haben herausgefunden, dass das Mondlicht nicht nur eine Rolle bei der monatlichen Zeiteinteilung spielt, sondern auch den genauen Zeitpunkt des nächtlichen Schwarmbeginns mit der dunkelsten Zeit der Nacht abstimmt. Dies geschieht wahrscheinlich, um das Überleben und die Fortpflanzung zu optimieren.“

Von Mari.Time erhofft man sich neue Erkenntnisse darüber, wie menschliche Einflüsse wie künstliches Licht und der Klimawandel die Stabilität von Ökosystemen beeinflussen, sowie Vorschläge, wie sich diese Auswirkungen verringern lassen.

Das Projekt könnte sogar zur Erforschung der menschlichen Gesundheit beitragen, da es immer mehr Hinweise darauf gibt, dass der Mond Aspekte wie Schlaf und Depression beeinflusst.

„Viele Hormone in den von uns untersuchten Wurmarten haben eng verwandte menschliche Gegenstücke“, sagt Tessmar-Raible.

Sie erklärt, dass die Erforschung der Mechanismen des Mondzyklus bei Meerestieren das Verständnis für andere monatliche Muster verbessern könnte. Dazu gehören der Menstruationszyklus sowie Stimmungsmuster bei bestimmten psychischen Störungen.

Tag und Nacht

Professorin Johanna Meijer, die an der Universität Leiden in den Niederlanden biologische Uhren erforscht, widmet sich seit über 30 Jahren der Untersuchung von zirkadianen Rhythmen bei Tieren.

Sie ist der Ansicht, dass es noch viel über die zirkadiane Uhr zu entdecken gibt, einschließlich der Frage, wie sie bei tagaktiven Arten wie dem Menschen funktioniert.

Man weiß viel mehr über nachtaktive Tiere, weil solche Arten, wie beispielsweise Mäuse, die häufig in Labors verwendet werden, auf molekularer Ebene leichter zu untersuchen sind, so Meijer.

Das von der EU finanzierte Projekt DiurnalHealth, das sie leitet, erforscht die Unterschiede zwischen tagaktiven und nachtaktiven Tieren. Die zirkadianen Rhythmen werden von einer Gruppe von Nervenzellen im Hypothalamus, dem so genannten suprachiasmatischen Nukleus (SCN), gesteuert, der als Hauptuhr des Körpers fungiert.

Da der SCN lichtempfindlich ist, hilft er bei der Regulation des Schlaf-Wach-Zyklus, indem er sich mit dem natürlichen Hell-Dunkel-Rhythmus der Umgebung synchronisiert.

Wenn der SCN gestört ist, beispielsweise durch Fernreisen oder Schichtarbeit, gibt es Hinweise darauf, dass dies zu einer Reihe von gesundheitlichen Problemen führen kann, darunter Schlafstörungen, Depressionen, Diabetes und sogar Krebs.

Meijers bahnbrechende Arbeit über den SCN bei tagaktiven Nagetieren wie der sudanesischen Grasratte und einer Art von tagaktivem Erdhörnchen liefert neue Informationen darüber, wie zirkadiane Rhythmen erzeugt und synchronisiert werden.

Die Forschung gibt auch Aufschluss darüber, wie Umweltreize wie Licht, Temperatur und körperliche Aktivität zur Feinabstimmung der inneren Uhr des Körpers genutzt werden.

„Der SCN kann sowohl Licht- als auch Verhaltenseingaben wahrnehmen, und diese Verhaltenseingaben können die Uhr stärken“, fügt Meijer erklärend hinzu. „Ist das nicht unglaublich? Unser eigenes Verhalten ist also in der Tat Teil einer Rückkopplungsschleife.“

Das bedeutet, dass externe Hinweise möglicherweise genutzt werden könnten, um Störungen der internen Körperrhythmen zu korrigieren. Licht ist der erste Kandidat, aber auch andere Faktoren wie Bewegung, Temperatur und Essenszeiten spielen eine Rolle.

Lichtverhältnisse, Farben

Durch Fortschritte in der Bildgebungstechnologie, die das Team nutzt, ist es möglich geworden, den SCN in noch nie dagewesenen Details zu beobachten.

Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Zellen von tagaktiven Nagetieren weniger empfindlich auf Licht reagieren als die Zellen ihrer nachtaktiven Artgenossen. „Dies legt nahe, dass tagaktive Tiere und Menschen mehr Licht für ihre innere Uhr benötigen als nachtaktive Tiere“, erklärt Meijer.

In einer separaten Studie zeigte sich, dass die Lichtmenge die Serotoninsynthese bei tagaktiven Ratten stärker beeinflusst als bei nachtaktiven Ratten. Da Serotonin die Stimmung, die Emotionen und den Appetit beeinflusst, könnten diese Erkenntnisse Auswirkungen auf menschliche Erkrankungen wie Depressionen haben.

Das Team erbrachte auch konkretere Nachweise dafür, dass die zirkadiane Uhr von verschiedenen Farben des Lichts beeinflusst wird, und nicht nur vom blauen Teil des sichtbaren Spektrums, dem oft die schädlichen Auswirkungen von künstlichem Nachtlicht und elektronischen Bildschirmen zugeschrieben werden.

Blaues Licht ist dafür bekannt, den zirkadianen Rhythmus zu stören und dazu beizutragen, dass Menschen sich wach statt müde fühlen. Von den Farben, die das Team getestet hat, zeigten auch grünes und orangefarbenes Licht Auswirkungen auf die zirkadiane Uhr, während violettes Licht nur geringfügige Auswirkungen zeigte.

„Es ist eine Art Warnung, dass man, wenn man seine innere Uhr nicht stören möchte, sich nicht nur von blauem Licht fernhalten kann“, sagt Meijer.

Auswirkungen auf die ganze Erde

Durch beide Projekte ergibt sich eine deutlich detailliertere Kenntnis über die genauen Mechanismen der inneren biologischen Uhren bei Lebewesen und deren Bedeutung für die Funktionsweise von Menschen und anderen Tieren.

Die Ergebnisse könnten zu neuen und effektiven Empfehlungen führen, um den Lebensstil zu verbessern und die natürliche Umwelt zu schützen.

Meijer betont die Bedeutung davon, dass diese Aspekte nicht nur den Menschen, sondern auch alle Ökosysteme betreffen. „Nach Milliarden von Jahren der Evolution ist der Hell-Dunkel-Zyklus von Vorteil für die Tiere“, sagt sie. „Jetzt beleuchten wir die Erde, als ob es harmlos wäre – doch das ist es nicht.“

Artikel von Gareth Willmer