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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

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