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Zirkadianer Rhythmus: Bedeutung, Funktionsweise, Beispiele


Der zirkadiane Rhythmus oder auch als circadiane Rhythmik bzw. circadianer Rhythmus geschrieben, beschreibt die Fähigkeit eines Organismus sich auf eine bestimmte Periodenlänge zu synchronisieren. Einfach erklärt, könnte man sagen: Der Mensch passt sich seiner Tageszeit an. Die Periodenlänge wären demnach 24 Stunden. Diese innere Uhr bzw. Schlaf-Wach-Rhythmus genannt ist Teil des Biorhythmus eines Lebewesens.

Was ist der zirkadiane Rhythmus?

Das zirkadiane bzw. circadiane lässt sich aus dem Lateinischen (circa) ableiten und bedeutet herum. Dian ist ein Abwandlung des lateinischen Wortes für Tag (diem). Der Name deutet daraufhin, dass dieser Rhythmus einen Tag lang aufrechterhalten wird, dann herum ist und schließlich am nächsten Tag wieder beginnt. Es handelt sich demnach um einen Zyklus, welcher nach 24 Stunden wieder kehrt.

Nicht nur die Natur unterliegt bestimmten Zyklen. So wie der Wechsel der Jahreszeiten oder die Gezeiten unterliegt auch der Mensch bestimmten biologischen Rhythmen, welche seine Psyche und Physis beeinflussen. Am Ende und am Anfang des zirkadianen Rhythmus steht immer die Regeneration, im besten Falle der Schlaf. Da dies chronologisch und in festen Abständen erfolgt, nennt man dieses Fachgebiet auch Chronobiologie.

Denn neben Erfahrungen, Persönlichkeitsmerkmalen oder Hormonen hat auch der Faktor Schlaf bzw. Regeneration einen erheblichen Einfluss darauf, was wir denken, fühlen und wie wir uns verhalten. Der zirkadiane Rhythmus bestimmt unser Leben. Unser Schlaf wird von einem weiteren Zyklus beeinflusst. Allerdings kann dieser durch verschiedene Faktoren auch aus der Balance geraten. Pro Nacht durchlaufen wir verschiedene Schlafstadien, die sich in einem bestimmten Muster wiederholen.

Die „innere Uhr“ des Menschen folgt einem ungefähren 24-Stunden-Rhythmus. Darin enthalten sind im Schlafzustand Phasen, welche 90 Minuten andauern. Unsere innere Uhr wird auch als zirkadianer Rhythmus bezeichnet, ist allerdings nur ein Beispiel für diesen. Die innere Uhr gibt beispielsweise den Takt an, wenn es um unsere Körpertemperatur geht. So steigt diese, wenn es Morgen wird und erreicht in der Tagesmitte ihren Höchststand. Am frühen Nachmittag sinkt sie wieder und fällt zum Abend hin immer weiter. Doch auch unser Wachzustand hängt vom zirkadianen Rhythmus ab.

Ist dessen Aktivierungsniveau am höchsten, fällt uns das Denken leichter und auch unser Gedächtnis funktioniert besser. Das kann den Nachteil mit sich bringen, dass Nachtschichtarbeiter weniger konzentriert arbeiten als es am Tag der Fall wäre. Mitten in der Nacht ist man in der Regel am müdesten. Wenn die betreffende Person nach der Nachtschicht allerdings schlafen möchte, wird sie wieder wacher. Allerdings kann man diese Aussage nicht pauschal auf alle anwenden, die in Nachtschichten arbeiten. Denn auch unser Alter hat einen Einfluss auf die innere Uhr.

Weitere Beispiele für den zirkadiane Rhythmus

Neben dem Schlaf-Wach-Rhythmus ist der Menstruationszyklus ebenfalls ein zirkadian. Die Periodenlänge beträgt hier 28 bis 30 Tage. Die Jahreszeiten sind ein Zyklus der Natur. Aber Bäume haben sogenannte Photozellen. Diese sind in den Blättern und eigentlich für die Photosynthese zuständig. Dennoch registrieren diese ebenfalls Sonnenlicht, weshalb Pflanzen immer zu Licht wachsen. Die Intensität des Sonnenlichts bewirkt allerdings auch, dass Bäume nachts schlafen und im Winter ihre Blätter abwerfen.

Nachaktiv und tagaktiv

Dir ist sicher schon mal der Vergleich der Schlafgewohnheiten mit den Lerchen und den Eulen begegnet. Man bezeichnet Frühaufsteher als Lerchen und Nachschwärmer gern als Eulen. Lerchen haben in den Morgenstunden die meiste Energie, welche im Laufe des Tages abnimmt. Das ist häufig bei älteren Menschen der Fall.

Als Eulen hingegen werden Personen bezeichnet, die eher „nachtaktiv“ sind. Sie kommen morgens nur schwer aus dem Bett, dafür steigt ihr Energielevel im Laufe des Tages und sie können noch bis in die späten Abendstunden produktiv sein, während die Lerchen längst im Bett liegen. Unter jüngeren Menschen gibt es mehr Eulen als unter älteren.

Der Wechsel zwischen diesen beiden Schlaftypen findet vermutlich bei den meisten Menschen um das 20. Lebensjahr herum statt. Bei Frauen geschieht das etwas früher als bei Männern. Hier werden Faktoren wie die Kindererziehung und die Menopause vermutet.

In den Abendstunden weniger aktiv zu sein, kann den ein oder anderen vielleicht frustrieren. Doch Studien haben gezeigt, dass Lerchen (sofern es sich um Kinder handelt) bessere Leistungen in der Schule zeigen. Auch zeigen Lerchen häufig mehr Initiative als Eulen und sind darüber hinaus nicht so anfällig für Depressionen.

Ursachen und Hintergründe für den zirkadianen Rhythmus

Das Konzept des zirkadianen Rhythmus tritt bereits in der Natur mehrfach auf. Die bereits erwähnten Jahreszeiten oder Ebbe und Flut sind zwei Beispiele. Entworfen wurde dieses natürliche Prinzip wahrscheinlich deshalb, um Raubtiere – welche vornehmlich nachtaktiv sind – von Beutetieren zu trennen. Somit hat ein Bereich der Nahrungskette nachts Ruhephasen, wobei die anderen Glieder ihre Nahrungsaufnahme organisieren müssen.

Dabei ist der zirkadiane Rhythmus vor allem vom Licht abhängig. Denn die Lichteinstrahlung und Intensität der Sonnenstrahlen bestimmen grundlegend das Zyklusende und den Anfang. Und da es nacht- und tagaktive Organismen gibt, werden zwar die Enden (Periodenenden) und Zyklusdauer vom zirkadianen Rhythmus bestimmt, allerdings nicht zu welcher Tageszeit welche Tätigkeit zwingend stattfinden muss.

Bei den Lebewesen dienen die zirkadianen Rhythmen vor allem dazu, sich zeitlich zu organisieren. Als Teil des Biorhythmus sorgt dieser dafür, dass Tag- und Nachtphasen eingehalten werden. Es sorgt somit dafür, dass Nahrungsaufnahme, Regeneration und Fortpflanzung zeitlich gesteuert werden. Auch Winterschlaf und Winterdepressionen gehen auf den Rhythmus zurück.

Bei häufig wechselnden Tageszeiten kann der Rhythmus ins Ungleichgewicht geraten, was zum Beispiel beim Jetlag der Fall ist. Werden die Zyklenenden überschritten, beispielsweise bei tagelangen Wachbleiben, wird der Rhythmus ebenfalls falsch synchronisiert. Dann sind sonst tagaktive Menschen auch tagsüber müde.

Falls dann ein ausgedehnter Tagesschlaf einsetzt, kann es sein, dass nachts die Müdigkeit aufgehoben wird. Und falls diese Gewohnheit beibehalten wird, kann sich der zirkadiane Rhythmus dauerhaft anders synchronisieren.

Physiologie und Funktionsweise

Der Abgleich zwischen Rhythmus und Tageszeit findet über spezielle Photorezeptoren statt. Diese Nervenzellen sitzen bei Tieren vornehmlich in den Augen. Bei Pflanzen befinden sich diese in den Photozellen der Blätter.

Das einfallende Tageslicht wird von den Rezeptoren aufgenommen und mit einem innerlich angelegten Referenzwert (Vergleichswert) abgeglichen. Sobald es draußen dunkler wird, nimmt die Intensität des Sonnenlichts ab. Der Vergleichswert stimmt nicht mehr mit den Umweltbedingungen überein und die Körperfunktionen werden heruntergefahren.
Tagaktive Lebewesen werden somit durch ihren Biorhythmus auf Regenation bzw. Schlaf vorbereitet, indem sie müder werden oder ihre Konzentration sinkt. Müdigkeit ist dabei eine Interpretation von vorhergehenden Körperfunktionen:

  • Blutdruck wird gesenkt
  • Körpertemperatur schwankt
  • Herzfrequenz nimmt ab
  • Ausscheidungsfunktionen, wie Harnbildung, nehmen zu

Der Körper zwingt den Organismus förmlich zur Regeneration bzw. Schlaf.

Genetische Grundlagen

Durch Experimente an Fruchtfliegen konnten die beiden Genetiker Ron Konopka und Seymour Benzer vom California Institute of Technology ein Gen für den periodischen Rhythmus ausfindig machen. Dieses Gen nennt sich „per“, was den begrifflichen Bezug zur „Periode“ herstellen soll.

Bei Säugetieren und dem Menschen gibt es mehrere Gene, welche den zirkadianen Rhythmus beeinflussen.

  • CRY (Cryptochrome)
  • CLOCK (Circadian locomotor output cycles kaput)
  • BMAL 1 (brain and muscle, ARNT-like)
  • PER 1 (Period 1)
  • PER 2 (Period 2)
  • PER 3 (Period 3)
  • Vasopressin – Prepropressophysin (VP) (clock controlled genes; ccg)

Im Zusammenspiel steuern diese Gene ein Übersetzungsprozess an, welcher oben bereits beschrieben steht. BMAL 1 wirkt dabei hauptsächlich durch Lichtintensität. Muskeln und Gehirn werden demnach aktiviert, sobald die Lichtintensität ausreichend wahrgenommen wird. Sinkt die Lichtintensität, werden Muskeln und Gehirn durch Nervensystem entsprechend benachrichtig und die oben beschriebenen Regenerationsprozesse setzen ein.

Per sind die Gene, welche bereits bei der Fruchtfliege nachgewiesen wurden und gewisse Schleifenprozesse bzw. Zyklen in Gang setzen, welche 24 Stunden in Anspruch nehmen.

Störungen

Störungen des zirkadianen Rhythmus treten entweder auf, sobald

  • die Periodenlänge dauerhaft gestört wird (Veränderung der Schlafdauer)
  • die tageszeitabhängige Lichtintensität sich sprunghaft ändert. (Reisen in andere Länder)
  • tageszeitabhängigen Aktivitäten sich ändern (Umstellung der Uhr in Sommer und Winterzeit)
  • Tageslänge sich schneller ändert als der Synchronisationsprozess (Winterdepressionen, Wintermüdigkeit)

Eine Neu-Synchronisation, gerade bei depressiven Gemütszustanden, erfolgt mittlerweile durch spezielle Lampen. Die sogenannten Tageslichtlampen* sondern Sonnenlicht, in einer gewissen Wellenstärke ab, welche den Biorhythmus des Betroffenen neu synchronisieren sollen. Das Ergebnis ist, dass die morgendliche Müdigkeit ausbleibt und depressive Gemütszustände überwunden werden.

Schlaf als zirkadianer Rhythmus

Was passiert im Gehirn, wenn wir einschlafen? Im Prinzip werden wir jeden Abend bewusstlos. Denn wenn wir einschlafen lässt unser Bewusstsein nach, wenn nach und nach unterschiedliche Teile unserer Großhirnrinde ihre Kommunikation untereinander einstellen. Daher ist Schlaf auch als eine Art periodischer, reversibler und natürlicher Bewusstseinsverlust zu verstehen.

Reversibel meint, dass er sich anders als bei einem Koma jeden Morgen wieder endet und unser Bewusstsein anschließend wieder vollkommen hergestellt ist. Allerdings ist unser Gehirn nicht einfach abgeschaltet, wenn wir schlafen. In einem rund 90-minütigen Zyklus durchlaufen wir verschiedene Schlafstadien.

Entspannter Wachzustand

Bevor wir einschlafen, zeigt das EEG sogenannte Alphawellen an. Dabei handelt es sich um recht langsame Hirnwellen, die für einen entspannten Wachzustand typisch sind. Diese treten auf, wenn du im Bett liegst und schlafen möchtest. Der Übertritt in den Schlaf ist gekennzeichnet durch eine sich verlangsamende Atmung. Die Hirnwellen werden unregelmäßiger und du sinkst in das erste Schlafstadium.

Das erste Schlafstadium

Dieser Zustand wird auch NREM-1 genannt. In dieser Phase befindet man sich noch nicht so wirklich im Schlaf, aber auch nicht mehr im Wachzustand. Du bist noch sehr leicht wieder aufzuwecken, erlebst jedoch gleichzeitig einen Zustand, der manchmal Halluzinationen gleichkommt. In der ersten Schlafphase kommt es häufig zu einem Gefühl des Fallens. Begleitet wird dieses anschließend mit einem heftigen Zucken des Körpers.

Auch ein Gefühl von Schwerelosigkeit kann sich einstellen. Der Vergleich mit Halluzinationen rührt daher, dass diese sensorischen Eindrücke ohne einen entsprechenden Reizinput stattfinden. Anders gesagt: Du fällst oder schwebst nicht, dennoch fühlt es sich so an.

Das zweite Schlafstadium

Diese Phase macht rund die Hälfte unserer Nacht aus. Während dieses Stadiums (NREM-2) zeigt das EEG periodische und kurz sehr stark ansteigende Hirnwellen. Diese rhythmischen Ausschläge werden als Schlafspindeln bezeichnet. Nun befindet sich die schlafende Person in einem tieferen Schlafzustand als in NREM-1. Allerdings ist man auch hier immer noch relativ einfach zu wecken. Diese Phase dauert ungefähr 20 Minuten an.

Das dritte Schlafstadium

Die erste NREM-3 Phase dauert rund 30 Minuten. Es ist die erste richtige Tiefschlafphase der Nacht. Sie ist an den langsamen Deltawellen identifizierbar und es ist sehr schwer, jemanden in diesem Zustand zu wecken.

Das vierte Schlafstadium

Statt im Tiefschlaf zu bleibe, kehrt das Gehirn jetzt in die Phase NREM-2 zurück. Darauf folgt dann die REM-Phase. Das geschieht etwa eine Stunde nach dem Einschlafen. Während des ersten REM-Schlafs schlagen die Wellen für rund zehn Minuten schnelle und zackenförmig aus. Das Muster gleicht dem Zustand der Phase NREM-1. Allerdings wird in der REM-Phase der Herzschlag schneller. Auch die Atmung beschleunigt sich und es kommt zu ruckartigen Augenbewegungen bei geschlossenen Lidern. Diese Augenbewegungen sind ein Indiz dafür, dass die schlafende Person träumt.

Bedeutung der Träume

Diese Abfolge wiederholt sich mehrmals in einer Nacht. Es handelt sich um einen etwa 90-minütigen Rhythmus, auf welchen Aserinsky in den 1950er Jahren aufmerksam wurde. Er schloss seinen Sohn an ein EEG an und beobachtete dessen Aufzeichnungen. Dabei stellte er fest, dass die Hirnwellen des schlafenden Kindes sich im Laufe der Nacht veränderten und dass diese Änderungen in bestimmten Abständen stattfanden.

Auch die REM-Phasen wurden so durch Aserinsky entdeckt. Die Abkürzung REM steht für die englische Bezeichnung „rapid eye movement“. Dass mit der Augenbewegung auch das Träumen einher geht, zeigten die Schilderungen seines Sohnes. Denn wenn der kleine Aserinsky aus einer REM-Phase erwachte, konnte er von einem kurz zuvor erlebten Traum berichten.

Warum bewegt sich unser Körper beim Träumen nicht?

Unsere Träume können sehr lebhaft sein. Umso vorteilhafter ist es daher, dass wir über einen eingebauten Schutzmechanismus verfügen. Immerhin könnten wir uns oder andere verletzen, wenn wir plötzlich im Schlaf losrennen oder um uns schlagen würden. Verantwortlich für die Bewegungsunfähigkeit unseres Körpers während der Traumphase ist unser Stammhirn.

Zwar ist unser motorischer Kortex (ein für Bewegung verantwortlicher Bereich des Großhirns) während des Träumens aktiv, doch das Stammhirn blockiert die Ausführung der im Schlaf erlebten Bewegungen. Wenn wir während einer REM-Schlafphase aufwachen, kann dieser Zustand der sogenannten Schlafparalyse manchmal noch kurzzeitig anhalten. Das kann sehr beunruhigend sein, da wir zwar wach sind, uns aber trotzdem nicht bewegen können.

Der REM-Schlaf wird aufgrund seiner Merkmale auch paradoxer Schlaf genannt: Das Gehirn ist in hohem Maße aktiv, doch äußerlich wirkt der Schlafende vollkommen ruhig. Die einzigen Bewegungen, die in dieser Schlafphase zustande kommen, sind leichte Zuckungen der Gesichtsmuskulatur oder von Zehen und Fingern.

Die REM-Phase macht auf die Nacht hochgerechnet ungefähr ein Viertel des Schlafes aus. Das sind pro Nacht rund 100 Minuten. Dementsprechend verbringen wir etwa 600 Stunden im Jahr schlafend, was in einem durchschnittlichen Leben ungefähr 100.000 Träumen entspricht. Einige Menschen behaupten, nie zu träumen. In Wahrheit können sie sich allerdings in der Regel einfach nicht mehr an ihre Träume erinnern. Werden sie in einer REM-Phase geweckt, können etwa 80 Prozent dieser Menschen ihre Träume beschreiben.

Sowohl die REM-Phasen als auch das Stadium NREM-2 werden im Laufe der Nacht immer länger. Der Anteil des Tiefschlafs (NREM-3) nimmt hingegen ab, je näher der Morgen rückt.

Schlaffaktoren und Einfluss auf Zirkadiane Rhythmus

Du kennst sicher die Empfehlung, dass man pro Nacht etwa 8 Stunden schlafen sollte. Diese Empfehlung ist allerdings zu kurz gegriffen. Denn verschiedene Faktoren können einen Einfluss darauf haben, welche Schlafdauer und -muster Personen zeigen.

Faktor Alter

Zum einen spielt das Alter eine Rolle. Babys schlafen wesentlich mehr als Erwachsene. Während sie rund zwei Drittel des Tages (also gut 16 Stunden) verschlafen, ist es bei den meisten Erwachsenen weniger als ein Drittel. Das sind zwar die häufig empfohlenen acht Stunden. Doch wie du aus dem obigen Beispiel der Eulen und Lerchen bereits gelernt hast, bestimmt das Alter auch, wann wir wach sind und wann wir müde werden. Es kommen jedoch weitere Einflussfaktoren hinzu.

Äußere Faktoren

Unsere Umwelt wirkt sich auf unseren Schlaf aus. Oder genauer gesagt, die Beleuchtung. Licht macht uns wach. Das liegt daran, dass lichtempfindliche Proteine in der Retina (Netzhaut des Auges) auf die Beleuchtung reagieren und Signale an das Gehirn leiten. Eine bestimmte Gehirnregion (Nucleus suprachiasmaticus) ist für die Produktion des schlaffördernden Hormons Melatonin zuständig. Wenn wir morgens hellem Licht ausgesetzt sind, empfängt diese Region das Signal „es ist Tag“. Daraufhin senkt sie die Melatoninproduktion und wir werden wacher.

Dementsprechend ist die Konzentration an Melatonin in unserem Körper am Morgen recht gering, während die zum Abend hin wieder steigt. Wir werden müder. Allerdings sind wir dank der Elektrizität immer länger und immer mehr künstlicher Beleuchtung ausgesetzt. Das gilt nicht nur für die Beleuchtung in unserer eigenen Wohnung, sondern auch für Straßenbeleuchtung, Werbetafeln und ähnliches. Auch das lange Arbeiten am Computerbildschirm, spätes Fernsehen und das abendliche Scrollen am Smartphone sorgen für eine ständige Konfrontation mit Licht. Das bringt unsere innere Uhr durcheinander und die ständige Beleuchtung verzögert unseren Schlaf.

Unser Lebensstil hat also einen Einfluss auf unsere Schlafgewohnheiten. Doch nicht nur die lange Beschäftigung mit Bildschirmen oder Handys bringt die innere Uhr durcheinander. Auch Schichtarbeit kann unseren biologischen Rhythmus empfindlich stören und sogar körperliche und psychische Erkrankungen zur Folge haben.

Genetische Faktoren

Allerdings ist auch unsere individuelle, genetische Veranlagung für unser Schlafverhalten verantwortlich. So kommt es vor, dass manchen Menschen bereits nach sechs Stunden Schlaf schon wieder fit sind, während andere erst nach mehr als neun Stunden langsam wieder in die Gänge kommen. Den genetischen Einfluss auf den Schlaf konnten Forscher anhand von Zwillingsstudien belegen.

Untersucht wurden Schlafdauer und -muster bei eineiigen und zweieiigen Zwillingen. Dabei zeigte sich, dass eineiige Zwillinge sich in ihrem Schlafverhalten wesentlich stärker ähneln als es bei zweieigen Zwillingen der Fall ist. Da eineiige Zwillinge genetisch nahezu identisch sind und zweieiige nur zu 50 Prozent das gleiche Erbgut miteinander teilen, liegt ein genetischer Einfluss auf den Schlaf also nahe.

Zusammenfassung

  • Der zirkadiane Rhythmus ist unsere innere Uhr. Er reguliert verschiedene Körperfunktionen (zum Beispiel die Körpertemperatur).
  • Dabei beruht dieser einem Synchronisationsprozess, welcher 24 Stunden anhält.
  • Photorezeptoren nehmen Tageslicht wahr und gleichen die Intensität mit einem inneren Referenzwert ab. Sind die Abweichungen groß genug, leitet der Körper regenerationsvorbereitende Maßnahmen ein, so dass der Organismus zur Ruhe kommt.
  • Auch der Schlaf unterliegt einem bestimmten Rhythmus. Er ist in vier Stadien (NREM-1, NREM-2, NREM-3, REM) eingeteilt, die sich im Laufe der Nacht in bestimmten Abständen wiederholen.
  • Die Stadien des Schlafes unterscheiden sich danach, wie leicht wir zu wecken sind und in den Aktivitäten der Hirnwellen.
  • Während der REM-Phasen träumen wir, können uns jedoch nicht bewegen. Zwar ist der motorische Kortex aktiv, doch das Stammhirn blockiert die Bewegungsausführung.
  • Wann wir müde werden und wie viel Schlaf wir brauchen, hängt von unterschiedlichen Faktoren ab. So bestimmen unsere Gene und unser Alter Schlafmuster und -dauer. Doch auch unsere Lebensweise und vor allem das künstliche Licht wirken sich auf unseren Schlaf aus.

Literatur

  • Till Roenneberg: Wie wir ticken: Die Bedeutung der Chronobiologie für unser Leben, ISBN 3832161880*
  • Dr. Michael Breus: Gutes Timing ist alles: Der richtige Zeitpunkt für Schlaf, Essen, Sex und fast alles andere – Mit Test: Welcher Chronotyp sind Sie?, ISBN 344217662X*
  • Prof. Dr. Maximilian Moser: Vom richtigen Umgang mit der Zeit: Die heilende Kraft der Chronobiologie, ISBN 3793423239*

Tasse

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