Biologische Uhren, physiologische Systeme, mit deren Hilfe Lebewesen im Einklang mit den Rhythmen der Natur leben können, vor allem mit dem Wechsel von Tag und Nacht oder den Jahreszeiten.

Biologische Uhren, die periodisch ablaufende Vorgänge steuern, findet man in mehr oder weniger ausgeprägter Form bei allen Lebewesen. Sie steuern und beeinflussen – oft höchst spezifisch, aber auf grundsätzlich sehr ähnliche Weise – zahlreiche verschiedene Körperfunktionen und Verhaltensweisen. Die Periode biologischer Uhren schwankt zwischen mehreren Jahren und wenigen Stunden; auf der Ebene einzelner Zellen oder deren Organellen werden noch deutlich kürzere Perioden gemessen. Für jahreszeitliche Zyklen gibt es viele Beispiele, wie etwa Paarungszeit, Winterschlaf, Wechsel zwischen Sommer- und Winterfell sowie Vogelzug oder andere Wanderungen von Tieren, aber auch die Vegetationsperiode und Knospenruhe vieler Pflanzen. Die meisten Kenntnisse über biologische Uhren stammen aus der Untersuchung des Tagesrhythmus, auch circadiane Rhythmik genannt. Beispiele hierfür sind die Vogeluhr, Tropismen von Pflanzen oder Wanderungen wasserlebender Organismen zwischen der Gewässeroberfläche und tieferen Schichten. Beim Menschen regeln biologische Uhren in erster Linie den Schlafrhythmus, aber auch den Blutdruck und die Körpertemperatur, die normalerweise im Lauf eines Tages zu bestimmten Zeiten steigen und sinken.

Die Biorhythmen werden durch bestimmte Reize beeinflusst, die auch als Zeitgeber bezeichnet werden und normalerweise aus der Umwelt kommen. Der wichtigste derartige Reiz ist das Licht, daher ist das Auge – zumindest bei Säugetieren – das wichtigste Sinnesorgan für die Einstellung der inneren Uhr. Untersuchungen an anderen Wirbeltieren ergaben, dass diese Lichtreize in der im Mittelhirn befindlichen Epiphyse registrieren können, die aufgrund der durchscheinenden Schädeldecke Licht empfangen kann. Außer dem tageszeitlich und jahreszeitlich schwankenden Lichteinfall spielt oft die Lunarperiodizität eine Rolle, besonders für Fortpflanzungszyklen. Bei vielen Lebewesen richtet sich die biologische Uhr neben dem Licht z. B. auch nach Schwankungen der Temperatur oder anderen Sinneseindrücken, den Gezeiten oder dem Energiegehalt der Nahrung. Die innere Uhr des Menschen kann durch Medikamenteneinnahme beeinflusst werden.

Neueste Untersuchungen zeigen, dass die biologische Uhr nicht nur durch Umwelteinflüsse, sondern auch durch Sozialkontakte von Individuen beeinflusst werden kann. US-amerikanische und niederländische Wissenschaftler berichteten 2002 in Science, dass sich die inneren Uhren von Essigfliegen (Taufliegen) innerhalb einer Gruppe aneinander angleichen. Die Forscher vermuten, dass eine solche Umstellung über Pheromone oder ähnliche Duftstoffe vermittelt wird. Andere Studien deuten darauf hin, dass soziale Korrekturen der inneren Uhr auch bei Nagetieren, Vögeln und sogar beim Menschen stattfinden; der genaue Mechanismus ist jedoch unklar.

Auch wenn man die äußeren Reize blockiert, beobachtet man eine innere Periode, die meist der normalen Periode stark ähnelt. Im Experiment hat man beispielsweise Menschen für längere Zeit von der Außenwelt isoliert: In dieser Situation essen und schlafen sie weiterhin regelmäßig, geraten aber in einen leicht geänderten Tagesrhythmus, der nach einer 1999 in Science veröffentlichten Studie US-amerikanischer Wissenschaftler im Durchschnitt 24,18 Stunden lang ist. Normalerweise treten solche Verschiebungen nicht ein, weil die Uhr durch die äußeren Reize jeden Tag neu gestellt wird. Andererseits sind äußere Reize verantwortlich für das Phänomen des Jetlag, das bei Flugreisen über mehrere Zeitzonen auftritt. Im Anschluss an eine solche Reise wird man oft müde, unkonzentriert und leicht depressiv, da die Abstimmung der biologischen Uhren, besonders des Schlafrhythmus, mit dem Tageslicht gestört ist; eine Angleichung dauert in der Regel einige Tage. Bei Schichtarbeit tritt dieses Problem regelmäßig auf. In längeren Experimenten mit einer künstlich veränderten Tageslänge entwickelten Versuchspersonen jedoch so genannte freilaufende Rhythmen, die oft erheblich vom normalen Schlaf-Wach-Rhythmus abwichen.

Die innere Periode ist weitgehend genetisch festgelegt und daher erblich. Im Experiment hat man einer Schmetterlingspuppe das Gehirn entnommen und dieses Organ einem künstlichen Sonnenaufgang ausgesetzt; anschließend verpflanzte man das Gehirn in eine Puppe, die sich in einem anderen Tagesrhythmus befand und deren Kopf man entfernt hatte: Die zweite Puppe schlüpfte zu dem Zeitpunkt, den das isolierte Gehirn der ersten vorgab. Eine biologische Uhr sorgt offensichtlich für die Ausschüttung eines Hormons, das die komplizierten Vorgänge beim Schlüpfen der Puppe in Gang setzt. Bei Menschen und den meisten Wirbeltieren ist beispielsweise das Hormon Melatonin maßgeblich an der Regulation biologischer Rhythmen beteiligt. Die Wirkung ist oft verzögert: Wie deutsche Wissenschaftler 1999 in Nature berichteten, stieg die Konzentration des Hormons Adrenocorticotropin bei schlafenden Versuchspersonen, die zu einer bestimmten Zeit wach werden wollten, bereits eine Stunde vor diesem Zeitpunkt.

Man vermutet, dass fehlgeleitete biologische Uhren eine Rolle bei der Entstehung von Brustkrebs spielen könnten. Vergleichende Untersuchungen an blinden und normalsichtigen Frauen ergaben, dass Erstere weit seltener an Krebs erkrankten als Letztere. Dies könnte daran liegen, dass seit Beginn des 20. Jahrhunderts der natürliche Tag-Nacht-Rhythmus des Körpers durch den umfassenden Einsatz von künstlichem Licht gestört wurde. Der Körper dürfte auf den scheinbar längeren Tag mit einer erhöhten Ausschüttung von Hormonen wie Östrogen reagiert haben, das als Auslöser für den Krebs in Frage kommt. Heutige Untersuchungen beschäftigen sich u. a. mit der Frage, welche Rolle biologische Uhren dabei spielen und ob deren vitaminhaltige Pigmente für die Krebs-Prophylaxe in Frage kommen. Auch bei anderen Krankheiten, z. B. Depressionen, Schlafstörungen, Frühjahrsmüdigkeit oder beim Vorgang des Alterns könnten sich durch die Aufklärung dieser Mechanismen neue Behandlungsmöglichkeiten ergeben.

Die Ausrichtung biologischer Uhren beruht wie bei den klassischen Sinnesorganen auf der Aufnahme äußerer Reize. Vor allem am Beispiel von Licht und dessen Beeinflussung der täglichen Schlaf- und Aktivitätsphasen von Säugern wird diese untersucht. 1998 berichteten US-amerikanische Forscher in den Proceedings of the National Academy of Sciences über zwei neu entdeckte Pigmente im Körper von Mäusen, die blaues Licht absorbieren. Diese so genannten Cryptochrome, die bald darauf u. a. auch bei der Essigfliege Drosophila melanogaster nachgewiesen wurden, ähneln DNA-Reparaturenzymen und den Blaulicht-Rezeptoren der Pflanzen, die Wachstum und Blütenbildung steuern. Nach 2001 und 2002 in verschiedenen Fachmagazinen veröffentlichten Erkenntnissen US-amerikanischer Forscher gibt es in der Augennetzhaut von Säugetieren lichtempfindliche Sinneszellen, die nicht am Erkennen von Objekten beteiligt sind. Solche Zellen bilden das dem Rhodopsin homologe, Vitamin-A-abhängige Pigment Melanopsin. Sie scheinen Empfänger von Lichtreizen für biologische Uhren zu sein, da auch blinde Tiere (die nur diese Rezeptoren nutzen können) im Experiment ihr Verhalten nach der Lichteinstrahlung ändern. Licht löst in Anwesenheit dieser Proteine Nervenimpulse aus, die ins Gehirn gelangen, sowie möglicherweise auch die direkte Ausschüttung von Melatonin in diesen Zellen. Keines dieser Proteine ist allein entscheidend für die Ausrichtung der Uhr, sondern vielmehr ein Zusammenwirken unabhängiger Rezeptoren, vermutlich auch Stäbchen und Zäpfchen.

Experimente mit Hamstern zeigten, dass die biologische Hauptuhr – das Steuerungszentrum aller unabhängigen zellulären Uhren – im Hypothalamus liegt; den dafür verantwortlichen Kern nennt man suprachiasmatischen Nucleus (SCN). Die Axone (siehe Nervenzelle) von Melanopsin-haltigen Netzhautzellen münden direkt in diesen Bereich, wie US-amerikanische Forscher 2002 in Science berichteten. Alle zeitgebenden Impulse werden in einzelnen Zellen des SCN aufgenommen und miteinander verrechnet, indem die hierarchisch organisierte Expression weiterer Uhrenproteine zeitlich und örtlich innerhalb der Zelle variiert wird. Schließlich werden endokrine Signale (z. B. Melatonin) an das vegetative Nervensystem und die Organe des Körpers geschickt. Die molekularbiologische Steuerung dieser Prozesse ist komplex und erst in wenigen Details aufgeklärt; immer enthält die Uhr aber einen so genannten genetischen Oszillator mit negativer Rückkopplung (siehe Biofeedback), so dass ein sich selbst regelnder Kreislauf entsteht. Man vermutet, dass erst durch die gegenseitige Beeinflussung verschiedener solcher Regelkreise der übergeordnete, fast genau 24 Stunden lange Rhythmus entsteht, den man als innere Uhr bezeichnet. Bei Säugetieren haben die meisten Organe eigene Uhren, die vom SCN lediglich koordiniert werden.

Das Schema einer solchen biologischen Uhr ist bei niederen Organismen meist deutlich einfacher. Bei völlig unterschiedlichen Lebewesen wurden aber bereits einander sehr ähnliche Gene identifiziert, in denen vermutlich Uhrenproteine verschlüsselt sind: außer beim Menschen beispielsweise bei Mäusen, Ratten und Goldhamstern, bei der Essigfliege Drosophila (erstmals 1971), dem Fadenwurm Caenorhabditis elegans, dem Schimmelpilz Neurospora crassa, der zu den Kreuzblütlern gehörenden Acker-Schmalwand sowie bei dem Cyanobakterium Synechococcus. Anhand des zu dem Gen per (für period) zugehörigen Proteins, das auch drei Tage nach Enthauptung einer Essigfliege noch im Körper oszillierte, belegten Forscher der Universität Regensburg 1997, dass nicht alle biologischen Uhren vom Gehirn gesteuert werden. Ein Forscher der Universität Münster hatte bereits 1995 im Journal of Insect Physiology über autonome Uhren in der Epidermis von Hinterbeinen der Schabe Blaberus craniifer berichtet.