Warum wir Menschen nicht nachtaktiv sind – so entstand unser biologischer Tagesmodus

Tagsüber fühlen sich die meisten Menschen wach und leistungsfähig. Nachts sinkt die Konzentration, Müdigkeit setzt ein. Dieser Schlaf-Wach-Rhythmus erscheint selbstverständlich. Tatsächlich steckt dahinter jedoch ein komplexer biologischer Mechanismus.

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass der Wechsel vom Nacht- zum Tagleben nicht im Gehirn begann, sondern tief im Inneren unserer Zellen. Veröffentlicht wurde die Arbeit im Fachjournal Science. Das Team vom MRC Laboratory for Molecular Biology in Cambridge untersuchte, warum manche Säugetiere nachts aktiv sind und andere tagsüber – obwohl sie über vergleichbare innere Uhren verfügen.

Vom Nachtleben der Säugetiere zum Tageslicht

Frühe Säugetiere lebten im Schutz der Dunkelheit. Während Dinosaurier tagsüber dominierten, blieben kleine Säuger nachtaktiv. Erst nach dem Massenaussterben vor rund 66 Millionen Jahren änderte sich dieses Muster. Mehrere Säugetierlinien entwickelten unabhängig voneinander Tagaktivität. Auch die Vorfahren des Menschen wechselten ins Licht.

Bemerkenswert ist dabei: Die zentrale innere Uhr im Gehirn blieb dabei unverändert. Der sogenannte suprachiasmatische Nukleus, der als Taktgeber gilt, funktioniert bei nacht- und tagaktiven Arten grundsätzlich gleich. Der entscheidende Unterschied musste also an anderer Stelle liegen.

Temperatur verschiebt zelluläre Uhren gegensätzlich

Im Laufe eines Tages schwankt die Körpertemperatur leicht. Auch die Salzkonzentration in den Zellen verändert sich minimal. Diese Faktoren beeinflussen biochemische Prozesse. Die Forschenden stellten fest:

• Zellen nachtaktiver Tiere reagieren stark auf Temperaturveränderungen.
• Ihre inneren Uhren laufen bei Wärme schneller.
• Zellen tagaktiver Arten bleiben stabiler.
• Die Reaktionen verlaufen teilweise sogar in entgegengesetzter Richtung.

In der Studie schreiben sie: „Wir haben einen zellinternen, thermodynamischen Mechanismus identifiziert, der dem Wechsel zwischen Nacht- und Tagaktivität bei Säugetieren zugrunde liegt.“ Damit verschiebt sich der Fokus von Verhalten und Gehirn auf molekulare Prozesse.

Zwei Signalwege wirken als molekularer Schalter

Im Zentrum stehen zwei wichtige Signalnetzwerke: der mTOR-Signalweg und die sogenannte WNK-Kinase-Kaskade. Beide regulieren unter anderem die Proteinsynthese. Sie steuern also, wie aktiv Zellen Eiweiße herstellen. Diese genetischen Veränderungen machten ihre Zelluhren robuster gegenüber Temperatur- und Salzschwankungen.

In der Analyse heißt es: „Proteinsynthese, Phosphorylierung und circadiane Zeitgebung waren bei tagaktiven Säugetieren weniger empfindlich gegenüber Temperaturveränderungen.“ Tagaktive Arten verfügen demnach über eine Art Stabilisierungssystem. Ihre Zellen lassen sich weniger leicht aus dem Takt bringen.

Eingriff in mTOR verändert das Verhalten

Um den Mechanismus zu überprüfen, griff das Team experimentell ein. Mäuse gelten als nachtaktiv. Die Forschenden beeinflussten den mTOR-Signalweg über eine ernährungsbasierte Intervention, da mTOR stark auf Nährstoffverfügbarkeit reagiert. Das Ergebnis: „In nachtaktiven Mäusen verschob die Hemmung von mTOR Zellen, Gewebe und Verhalten in Richtung Tagaktivität.“

Die Tiere wurden also messbar tagaktiver. Der Eingriff veränderte nicht nur einzelne Zellen, sondern das gesamte Aktivitätsmuster. Damit wird deutlich, dass mTOR mehr steuert als den Stoffwechsel. Der Signalweg beeinflusst auch den Zeitpunkt der Aktivität.

Warum Mausmodelle nicht immer auf den Menschen übertragbar sind

Viele biomedizinische Studien nutzen Mäuse als Modellorganismus. Doch die Arbeit zeigt, dass nachtaktive Nagetiere in zentralen zellulären Signalwegen anders reagieren als Menschen. Das betrifft unter anderem:

• Medikamentenwirkungen
• Stoffwechselprozesse
• chronobiologische Therapien
• präklinische Studien

Die Chronomedizin untersucht, wie der Zeitpunkt einer Behandlung ihre Wirkung beeinflusst. Wenn Zellmechanismen zwischen Arten unterschiedlich funktionieren, müssen Ergebnisse sorgfältig übertragen werden.

Ein evolutionärer Schlüsselmechanismus

Co-Autor Matthew Christmas von der Universität Uppsala untersuchte die Erbinformation verschiedener Säugetiere. Dabei zeigte sich, dass bestimmte Gene bei tagaktiven Arten schneller Veränderungen durchliefen als bei nachtaktiven. Betroffen waren vor allem Gene, die wichtige Signalwege wie mTOR und WNK steuern. Diese genetischen Anpassungen halfen offenbar dabei, Zellen stabiler auf Tagesbedingungen einzustellen.

Der Übergang vom Nacht- zum Tagleben war somit kein bloßer Wechsel im Verhalten. Er ging mit dauerhaften Veränderungen im Erbgut und in den inneren Abläufen der Zellen einher. Dadurch wurde der Tagesrhythmus im Laufe der Evolution fest im biologischen Bauplan vieler Säugetiere verankert.

Kurz zusammengefasst:

• Der menschliche Schlaf-Wach-Rhythmus entstand nicht nur durch Verhalten oder Lichtreize, sondern durch einen zellinternen Mechanismus, der sich nach dem Dinosaurier-Aussterben evolutionär entwickelte.
• Zellen tagaktiver Säugetiere reagieren stabiler auf Temperaturveränderungen, weil Signalwege wie mTOR und WNK Proteinsynthese und innere Uhren robuster steuern als bei nachtaktiven Arten.
• Wird der mTOR-Signalweg bei nachtaktiven Mäusen gehemmt, verschiebt sich ihr Verhalten in Richtung Tagaktivität – ein Hinweis darauf, dass unser Tagesrhythmus tief im Zellstoffwechsel verankert ist.

Übrigens: Nicht nur unser Schlaf-Wach-Rhythmus wird in den Zellen gesteuert – auch wie schnell wir altern, entscheidet sich tief im Stoffwechsel und in der Genregulation. Welche Rolle dabei ein Strukturprotein im Zellkern spielt und warum Ernährung die Alterung beeinflussen kann, mehr dazu in unserem Artikel.

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