Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Es geht auch ohne innere Uhr

23.09.2015

Eine innere Uhr ist nicht zwingend Voraussetzung, damit Lebewesen ihre Aktivitäten einem Tag-Nacht-Rhythmus anpassen können – zumindest unter bestimmten Bedingungen. Andere Mechanismen können den Verlust der molekularen Taktgeber kompensieren, wie Forscher der Uni Würzburg jetzt zeigen.

Für Tiere ist es lebensnotwendig, ihre Aktivitäten dem regelmäßigen Wechsel von Tag und Nacht, von Hell und Dunkel anzugleichen. Eine Hummel, die nachts auf der Suche nach Blüten unterwegs ist, wird schnell verhungern; wer einen Partner zur Paarung sucht, wenn der schläft, wird wenig Erfolg haben. Sogenannte „innere Uhren“ steuern deshalb das Verhalten und sorgen dafür, dass sich Lebewesen den wechselnden Gegebenheiten ihrer Umwelt anpassen können.

Überraschung für die Wissenschaft

Das Bild von der inneren Uhr als Taktgeber hat allerdings vor kurzem einen Riss bekommen: Wissenschaftler hatten bei Mäusen und der Taufliege Drosophila entdeckt, dass diese auch dann ein annähernd normales Aktivitätsmuster zeigen, wenn ihnen die innere Uhr fehlt. Über zwei Jahre in einer halbwegs natürlichen Umgebung beobachtet, unterschied sich ihr Verhalten sowohl im Tagesverlauf als auch in der Folge der Jahreszeit nur gering von dem „normaler“ Exemplare, die eine innere Uhr besaßen.

Wie sich dieser scheinbare Widerspruch erklären lässt, haben die Biologen Matthias Schlichting, Pamela Menegazzi und Charlotte Helfrich-Förster am Biozentrum der Universität Würzburg untersucht. Charlotte Helfrich-Förster ist Inhaberin des Lehrstuhls für Neurobiologie und Genetik; im Mittelpunkt ihrer Forschung steht die Chronobiologie, also die zeitliche Organisation aller Lebewesen. Sie ist außerdem Sprecherin des Sonderforschungsbereichs „Insect timing: mechanisms, plasticity and interactions“, der Anfang 2013 seine Arbeit aufgenommen hat. Auch er geht der Frage nach, wie die inneren Uhren im Tierreich funktionieren.

Viele Faktoren steuern die Aktivitäten

Tatsächlich gibt die Vorstellung einer inneren Uhr als allein bestimmender Taktgeber die Komplexität der realen Verhältnisse nicht wieder. „Das tägliche Verhalten von Lebewesen ist eine Mischung aus sofortigen Antworten auf Veränderungen in der Umwelt und von der inneren Uhr gesteuerten Prozessen“, sagt Helfrich-Förster. Interaktionen zwischen diesen beiden Protagonisten helfen dem Organismus, sich optimal an seine Umgebung anzupassen. So wird ein Tier, dessen Augen nicht an Dunkelheit adaptiert sind, nach Einbruch der Nacht seine Bewegungen einstellen. Und seine innere Uhr wird ihm im Idealfall am nächsten Tag dazu bringen seine Aktivitäten einzustellen, noch bevor es dunkel geworden ist.

Welche Mechanismen und Protagonisten in diesem komplexen Geschehen wie miteinander interagieren, haben die Wissenschaftler am Beispiel der Taufliege untersucht. Zum Einsatz kamen dabei gesunde Tiere, Tiere ohne innere Uhr, Tiere ohne Augen und Tiere, denen andere Schalter aus dem Bereich des Timings fehlten. Sie wurden in den Experimenten im Labor unterschiedlichen Lichtverhältnissen ausgesetzt: mal mit einer simulierten Dämmerung, mal mit annähernd natürlichen Lichtverhältnissen, mal mit einem abrupten Wechsel von Hell zu Dunkel und umgekehrt. Die Ergebnisse hat das Team jetzt in der Fachzeitschrift Proceedings B of the Royal Society veröffentlicht.

Dämmerung als zentraler Taktgeber

„Wir konnten zeigen, dass die allmähliche Zu- beziehungsweise Abnahme des Lichts im Labor ausreicht, dass Fliegen die für sie typischen Aktivitäten am Morgen und am Abend zeigen“, fasst Charlotte Helfrich-Förster das zentrale Ergebnis der Studie zusammen. Anstelle der inneren Uhr erfolgt die Steuerung in diesem Fall über das Auge der Fliege. Fliegen, die über keine Augen verfügen, entwickeln demnach nicht die üblichen Aktivitätsmuster.

Keinen Einfluss zeigte hingegen ein weiterer Akteur in dem Geschehen: der Photorezeptor Cryptochrom. Er sitzt in speziellen Nervenzellen, den sogenannten Uhrneuronen, und interagiert bei Belichtung mit dem Uhrprotein Timeless und sorgt so dafür, dass dieses Protein abgebaut wird. Bildlich gesprochen setzt er die Uhr auf Null zurück. Fliegen, denen der Rezeptor fehlt, zeigen dennoch die typischen Aktivitätsmuster – wenn die Lichtverhältnisse denen in der Natur entsprechen.

Die innere Uhr gibt den Takt vor

Völlig ohne Folgen bleibt es allerdings nicht, wenn der Taufliege die innere Uhr fehlte. Anscheinend sendet sie eine Art Vorwarnung aus, wenn die Abenddämmerung naht. „Fliegen ohne innere Uhr verstärken ihre abendlichen Aktivitäten nach Beginn der Dämmerung und nicht – wie gesunde Exemplare – davor“, erklärt Charlotte Helfrich-Förster. Außerdem reagieren sie intensiv, wenn man sie gegen Mitternacht einer künstlichen Dämmerung aussetzt.

„Licht ist das Schlüsselsignal, damit Taufliegen ihre Aktivitätsmuster den natürlichen Gegebenheiten anpassen“, fasst die Wissenschaftlerin die Ergebnisse der neuen Studie zusammen. „Und das Auge spielt die zentrale Rolle dabei, die schwachen Veränderungen der Helligkeit am Morgen und am Abend zu registrieren.“

Für Lebewesen mit Mutationen im Bereich der Gene, die für die innere Uhr zuständig sind, sei das eine gute Nachricht. Unter natürlichen Lichtverhältnissen schaffen sie es in der Regel trotzdem, ein normales Timing zu entwickeln. Andere Faktoren, wie beispielsweise die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit, bilden in der freien Natur die Grundlage für ein „Feintuning“, das es fast unmöglich macht, Tiere mit einer defekten inneren Uhr von Exemplaren mit einer normal tickenden zu unterscheiden.

Normal vision can compensate for the loss of the circadian clock. Matthias Schlichting, Pamela Menegazzi and Charlotte Helfrich-Förster. Proc. R. Soc. B 20151846. dx.doi.org/10.1098/rspb.2015.1846

Kontakt

Prof. Dr. Charlotte Förster, (0931) 31-88823, charlotte.foerster@biozentrum.uni-wuerzburg.de

Gunnar Bartsch | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht Wie Reize auf dem Weg ins Bewusstsein versickern
22.09.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

nachricht Lebendiges Gewebe aus dem Drucker
22.09.2017 | Universitätsklinikum Freiburg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: The pyrenoid is a carbon-fixing liquid droplet

Plants and algae use the enzyme Rubisco to fix carbon dioxide, removing it from the atmosphere and converting it into biomass. Algae have figured out a way to increase the efficiency of carbon fixation. They gather most of their Rubisco into a ball-shaped microcompartment called the pyrenoid, which they flood with a high local concentration of carbon dioxide. A team of scientists at Princeton University, the Carnegie Institution for Science, Stanford University and the Max Plank Institute of Biochemistry have unravelled the mysteries of how the pyrenoid is assembled. These insights can help to engineer crops that remove more carbon dioxide from the atmosphere while producing more food.

A warming planet

Im Focus: Hochpräzise Verschaltung in der Hirnrinde

Es ist noch immer weitgehend unbekannt, wie die komplexen neuronalen Netzwerke im Gehirn aufgebaut sind. Insbesondere in der Hirnrinde der Säugetiere, wo Sehen, Denken und Orientierung berechnet werden, sind die Regeln, nach denen die Nervenzellen miteinander verschaltet sind, nur unzureichend erforscht. Wissenschaftler um Moritz Helmstaedter vom Max-Planck-Institut für Hirnforschung in Frankfurt am Main und Helene Schmidt vom Bernstein-Zentrum der Humboldt-Universität in Berlin haben nun in dem Teil der Großhirnrinde, der für die räumliche Orientierung zuständig ist, ein überraschend präzises Verschaltungsmuster der Nervenzellen entdeckt.

Wie die Forscher in Nature berichten (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005), haben die...

Im Focus: Highly precise wiring in the Cerebral Cortex

Our brains house extremely complex neuronal circuits, whose detailed structures are still largely unknown. This is especially true for the so-called cerebral cortex of mammals, where among other things vision, thoughts or spatial orientation are being computed. Here the rules by which nerve cells are connected to each other are only partly understood. A team of scientists around Moritz Helmstaedter at the Frankfiurt Max Planck Institute for Brain Research and Helene Schmidt (Humboldt University in Berlin) have now discovered a surprisingly precise nerve cell connectivity pattern in the part of the cerebral cortex that is responsible for orienting the individual animal or human in space.

The researchers report online in Nature (Schmidt et al., 2017. Axonal synapse sorting in medial entorhinal cortex, DOI: 10.1038/nature24005) that synapses in...

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungen

Internationale Konferenz zum Biomining ab Sonntag in Freiberg

22.09.2017 | Veranstaltungen

Die Erde und ihre Bestandteile im Fokus

21.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

11. BusinessForum21-Kongress „Aktives Schadenmanagement"

22.09.2017 | Veranstaltungsnachrichten

DFG bewilligt drei neue Forschergruppen und eine neue Klinische Forschergruppe

22.09.2017 | Förderungen Preise

Lebendiges Gewebe aus dem Drucker

22.09.2017 | Biowissenschaften Chemie