Einleitung
Unabhängig davon, ob Einzeller, Pflanze, Fliege, Fisch, Maus oder Mensch – jede Körperzelle ist mit einem biologischen Mechanismus ausgestattet, der die Physiologie, das Verhalten sowie den Schlaf zeitlich koordiniert. Dieser biologische Mechanismus gleicht einer inneren Uhr, die die homöostatischen Prozesse in unserem Körper sowie den Wechsel zwischen Wachheit und Schlaf im Tagesverlauf steuert (Hastings et al. 2008). Beispielsweise unterliegt die Bildung von Hormonen der Stressachse (z. B. Cortisol) einer Kontrolle der inneren Uhr. Aus diesem Grund ist die Wirkung eines Stressors für den Körper nicht zu jeder Tages- und Nachtzeit identisch.
Diese biologische Koordination ist hoch relevant, weil sie das Fundament dafür ist, dass wir Menschen gesund und leistungsfähig bleiben und überhaupt leben können. Wird die innere Uhr in ihrer Funktion wiederholt gestört, resultieren daraus sehr unterschiedliche negative Konsequenzen für Gesundheit, Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit (Kantermann 2018). Dabei liegt die Störung der inneren Uhr häufig im persönlichen Umgang mit der Technologie sowie einem damit zusammenhängenden gesellschaftlichen Anpassungsdruck begründet. Eine systematische Bestandsaufnahme der genaueren Zusammenhänge fehlt jedoch bisher, ebenso wie Vorschläge zu Präventions- und Lösungsstrategien für die Neugestaltung unserer Lebenswelten.
Evolutionäres Erbe
Unsere Zeitbiologie, die wir als innere Uhr beobachten und messen können, ist ein komplexes circadianes (circa = ungefähr, dies = Tag) System, das sich seit Entstehung des Lebens bewährt hat. Die inneren Uhren im Tier- und Pflanzenreich sind deshalb so wichtig, weil sie erlauben, Prozesse und Verhaltensweisen im selben Organismus ablaufen zu lassen, die sich sonst gegenseitig ausschließen würden. So waren die ersten Einzeller auf diesem Planeten unter anderem dadurch herausgefordert, dass sie die einzelnen Schritte des Stoffwechsels nicht gleichzeitig durchlaufen lassen konnten, sondern zeitlich voneinander separieren mussten. Dieses Prinzip der zeitlichen Strukturierung ist gekoppelt an einen Mechanismus, der es erlaubt, den Beginn des nächsten Tages verlässlich zu antizipieren. Beim Menschen ist dies an der Beobachtung zu erkennen, dass Körperkerntemperatur und Cortisolspiegel vor dem Aufwachen zu steigen beginnen. Parallel dazu sinkt die Menge an Melatonin in unserem Blut ab. Der Vorteil der Antizipation besteht darin, dass der Organismus bereits vor dem Aufwachen auf natürliche Weise darauf vorbereitet wird, sich kurz darauf den Anforderungen eines neuen Tages zu stellen.
Innere Uhren sind individuell
Vergleichbar mit allen biologischen und verhaltenstypischen Mustern beim Menschen unterscheiden sich Individuen auch in ihren inneren Uhren. Ähnlich wie bei der Varianz der Körpergröße beispielsweise, finden sich in der Gegenüberstellung von Menschen graduelle Unterschiede in der zeitlichen Ausprägung derjenigen Prozesse, die durch die innere Uhr geregelt sind. Das circadiane System trägt seinen Namen deshalb, weil die endogene Periodik dieser inneren zellulären Uhren im Regelfall nicht exakt 24 Stunden beträgt, sondern individuell um diesen Wert herum schwankt. Die endogene Periodik der inneren Uhr bezieht sich auf die Periodik, die messbar wird, wenn die Umweltsignale minimiert und konstant gehalten werden (sogenannte „constant routine studies“). So ist bekannt, dass die endogene Periodik der inneren Uhr des Menschen im Durchschnitt bei 24,2 h liegt (Czeisler et al. 1999). Würde der Mensch mit einer Periodik der inneren Uhr von 24,2 h also über mehrere Wochen in einem dunklen Raum leben, würde er täglich 12 Minuten später einschlafen. Damit die innere Uhr mit dem 24-Stunden-Tag synchron verläuft, muss sie täglich angepasst werden. Innere Uhren mit einer Periodik länger als 24 Stunden müssen verlangsamt werden. Innere Uhren mit einer Periodik kürzer als 24 Stunden müssen beschleunigt werden. Die Umweltsignale, die diese Korrektur täglich vornehmen können, werden Zeitgeber genannt. Eine weitreichende Erkenntnis der Chronobiologie ist, dass Zeitgeber im Verlauf des 24-Stunden-Tages sehr unterschiedlich wirken können.
Zeitgeber Licht-Dunkel-Zyklus
Der für die innere Uhr des Menschen wichtigste Zeitgeber ist der natürliche Wechsel von Tag (Licht) und Nacht (Dunkel) (Roenneberg et al. 2013). Der Wechsel von Tag und Nacht ist seit der Entstehung des Lebens das einzige Umweltsignal, das auf verlässliche Weise eine Vorhersage über tages- und jahreszeitliche Veränderungen der Umwelt möglich macht. Die inneren Uhren erlauben es uns, den nächsten Tag zu antizipieren. Die natürliche Synchronisation der inneren Uhren mit der Umwelt (Entrainment) geschieht im Rahmen der 24 Stunden dauernden Rotation des Erdballs um die Sonne. Das circadiane System erscheint aus diesem Grund mit einer gewissen Trägheit behaftet zu sein. So können bestimmte Änderungen der Struktur des Zeitgebers oftmals erst 24 Stunden später über ein messbares Antwortverhalten auf physiologischer Ebene oder im Verhalten validiert werden. Während beispielsweise helles Licht die Freisetzung des Hormons Melatonin akut und unmittelbar hemmt, so ist hingegen die Wirkung derselben Lichtexposition auf den Zeitpunkt – die circadiane Phase (englisch: dim light melatonin onset, DLMO) – der Synthese des Melatonins erst am Folgeabend messbar. Diese Trägheit ist allerdings nur messtechnisch von Bedeutung und trägt keinen Krankheitswert, denn aus evolutionsbiologischer Sicht verliefen die schnellsten Zeitgeberwechsel im Tempo von jahreszeitlichen Änderungen des täglichen Sonnenstandes.
Wie wirken Licht und Dunkel auf die innere Uhr?
Vereinfacht gesagt, verarbeitet das circadiane System Aktionspotenziale, die durch Rezeption von Photonen (Licht) auf der Netzhaut (Retina) im Auge erzeugt werden. Bekannt sind die Stäbchen und Zapfen der Netzhaut, die für Kontrast- und Farbsehen des visuellen Systems maßgeblich sind. Die innere Uhr wird durch Rezeption von Photonen gesteuert, die jedoch nicht der visuellen Wahrnehmung der Umwelt dient. Bevor die Signale der Stäbchen und Zapfen über die Sehnerven tiefer in das Gehirn geleitet werden (Anmerkung: die Retina des Auges ist ein Teil des Gehirns, der außerhalb des Schädelknochens liegt), werden die Signale über Zwischenneurone konvergiert. Eine Klasse dieser Zwischenneurone sind die retinalen Ganglienzellen (RGC). Ein Teil dieser retinalen Ganglienzellen wiederum ist in der Lage, ein Photopigment (Melanopsin) zu exprimieren. Diese Subgruppe der Ganglienzellen wird intrinsisch photosensitive retinale Ganglienzellen (ipRGC) genannt. Die über die Sehnerven mitvermittelte neuronale Information des nicht-visuellen circadianen Systems erreicht zunächst den suprachiasmatischen Nukleus (SCN) im vorderen Hypothalamus. Der SCN ist das Herzstück der inneren Uhr, die Master-Clock, der zentrale neuronale Hub des circadianen Systems (Hastings et al. 2008).
Nicht allein auf blaues Licht achten
Besonders sensitiv sind ipRGC im Wellenlängenbereich um 490 nm (DGUV Information 215-220, 2018, s. „Weitere Infos“). Photonen mit dieser Wellenlänge sind besonders in der Lage, die innere Uhr zu beeinflussen, und werden nach Verarbeitung im visuellen System als „blau“ wahrgenommen. Allerdings ist eine alleinige Fokussierung auf die Lichtfarbe zu limitiert und für anwendungsbezogene Lösungsansätze nicht spezifisch genug. Die Wirkung von Licht auf das circadiane System ist nicht auf einen einzelnen Wert reduzierbar. Grundsätzlich hat die Wissenschaft bereits fünf Faktoren identifizieren können, um die Wirkung von Licht auf die innere Uhr zu beschreiben. Diese Faktoren sind:
Die Wechselwirkungen dieser Lichtexpositionsqualitäten in unterschiedlichen Umwelten und Individuen zu untersuchen, ist Gegenstand laufender Forschung.
An dieser Stelle kommen die von Menschen geschaffenen künstlichen Umwelten ins Spiel. Künstliche Umwelten sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sich dem natürlichen Wechsel von Tag und Nacht entziehen. Hier dominiert künstlich erzeugtes Licht. Es spielt für die Rezeptoren auf der Netzhaut des Auges keine Rolle, ob ein Photon künstlich erzeugt oder ein Produkt der Sonne ist. Die Stäbchen, Zapfen und ipRGC können – nach aktuellem Wissensstand – nicht zwischen natürlichem und künstlich erzeugtem Licht unterscheiden. Aus diesem Grund sind künstliche Lichtquellen genau wie das Tages- und Sonnenlicht in der Lage, innere Uhren zu beeinflussen oder zu stören – und zwar derart zu stören, dass die notwendige tägliche Anpassung (Synchronisation) der endogenen Periodik (über oder unter 24 Stunden) an den 24-Stunden-Tag nicht ausreichend erfolgt. Somit wird der evolutionär bewährte Prozess der Antizipation und die damit einhergehende natürliche Einbettung der Körperbiologie in den 24-Stunden-Tag erschwert oder gar verhindert. Eine Störung der inneren Uhr wirkt sich auf vielen Ebenen des Organismus aus. Da die innere Uhr fundamental in die Gesunderhaltung und Aufrechterhaltung der Leistungsfähigkeit eingebunden ist, können Störungen der inneren Uhr zu gesundheitlichen Problemen führen. Störungen von Hormonen und physiologischen Prozessen für gesunden Schlaf sowie Störungen, die das Immun- und Herz-Kreislauf-System betreffen, sind in diesem Kontext einer circadianen Desynchronisation beschrieben. Gut erforscht sind sie beispielsweise als Folgen von Schichtarbeit (Moreno et al. 2019). Neben dem Einfluss von Licht in der Nacht kann auch ein Mangel an Tageslicht zu einer Störung der inneren Uhr beitragen.
Projekt CIRCADIA
Ein Ende 2021 gestartetes Projekt (CIRCADIA – Circadiane Rhythmen und Technologie – Desynchronisation im Alltag) des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI, Karlsruhe) und der FOM Hochschule für Oekonomie und Management (Essen) widmet sich der Frage, wie circadiane Rhythmen, das heißt die von „inneren Uhren“ gesteuerten Tagesrhythmen des Menschen, durch neue und vielfältig kombinierbare Technologien sowie soziale Praktiken im Alltag beeinflusst werden. Es handelt sich um ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördertes Forschungsprojekt im Rahmen des Förderprogramms „zu interdisziplinären Perspektiven des gesellschaftlichen und technologischen Wandels (INSIGHT)“.
Alltag und Lebenswelt werden peu á peu vom soziotechnischen Wandel ergriffen. Die Folge des stetigen Vormarschs neuer und vielfältig kombinierbarer Techniken ist eine Entstrukturierung des Alltags und eine Entrhythmisierung von biologischen und psychologischen Prozessen vieler Menschen. Tägliche Zeitrestriktionen und Erwartungen, die Möglichkeiten von Technik rund um die Uhr zu nutzen, können dies noch verstärken. Mit Beginn der Pandemie im Jahr 2020 hat sich die Dynamik in der Digitalisierung und vielfältigen Techniknutzung im Berufs- und Bildungsalltag intensiviert. Homeoffice und Homeschooling sind Beispiele einer solchen Entstrukturierung und Entrhythmisierung des Alltags.
Ungeachtet der negativen Folgen haben einige Formen des technikvermittelten asynchronen Lernens und Arbeitens ohne Zweifel auch Vorteile und werden – so kann vermutet werden – auch nach der Pandemie Bestand haben. Jedoch können ständige Erreichbarkeit und Arbeitsfähigkeit durch digitale Plattformen und Anwendungen zu einer Kollision mit den Zeiten für Erholung und Privatheit führen, mit nachteiligen Konsequenzen für die Gesundheit und das soziale Leben. Derart nicht-intendierte Konsequenzen müssen den Vorteilen digitaler Kommunikationstechniken gegenüber abgewogen werden. Denn es muss beachtet werden, dass dem Menschen, im Gegensatz zu Geräten oder technischer Infrastruktur, biologische Grenzen gesetzt sind (Kantermann 2018).
Eine gesundheitsorientierte Gestaltung zukünftiger Lebenswelten setzt deshalb ein fundiertes Verständnis von humanbiologischen zeitlichen Grenzen voraus, inklusive eines Verständnisses der Parameter, die diese Grenzen setzen. Gegenwärtig fehlen systematische Erkenntnisse darüber, an welchem Punkt die Forschung zu circadianen Rhythmen, Innovationen, Technik und technikbezogenem Verhalten steht. Unbeantwortet sind Fragen nach den konkreten Techniken und Innovationen, die nachhaltig Einfluss auf circadiane Rhythmen nehmen. Im Chronobiologie-Projekt CIRCADIA wird eruiert, wie sich circadiane Rhythmen kurz- und langfristig ändern und welche verhaltensbedingten Faktoren und Technologiefamilien dabei eine Rolle spielen.
Im Projekt CIRCADIA wird unterschieden zwischen Technologien,
Wissenschaft mit der und für die Gesellschaft
Das Projektteam hat es sich zum Ziel gesetzt, politische und wirtschaftliche Entscheidungsträgerinnen und –träger über mögliche Folgen und gesellschaftliche Entwicklungen hinsichtlich des steigenden Einsatzes von Technik im Alltag zu informieren. Im Fokus steht die Entwicklung von Präventions- und Anpassungsstrategien zur Förderung der Gesundheit und des Wohlbefindens von Menschen. Über die Effekte lichtemittierender Technologien auf die inneren Uhren hinaus soll ebenso die gesellschaftliche Einbettung von Technologien untersucht werden. Vor dem Hintergrund einer Gesellschaft, die sich gleichzeitig durch differenzierende und konvergierende Lebensentwürfe auszeichnet, müssen auch gesellschaftliche Entwicklungen in Arbeit oder Freizeitverhalten mit betrachtet werden. Durch den individuellen Gebrauch von Technologie – vor allem von lichtemittierenden Geräten – haben wir es ein Stück weit selbst in der Hand, inwieweit unsere innere Uhr beeinflusst wird. Hinzu kommen soziale Praktiken, die die Licht-Dunkel-Zyklen beeinflussen. Hierzu zählen auch soziale Praktiken wie die unvermeidbare Schicht- und Nachtarbeit, die nachweislich zu den am stärksten, gesundheitsgefährdenden Faktoren zählt (Moreno et al. 2019; Harth et al. 2020).
Neue Lebenswelten
Aus solidarischer Sicht gilt es zu verstehen, dass Herausforderungen der inneren Uhr und Schlafdefizite nicht allein ein individuelles, sondern ein gesellschaftliches Problem darstellen. Als Gesellschaft erwarten wir, dass beispielsweise Mitarbeitende der Rettungsdienste, Polizei, Krankenhauspersonal, Zugführerinnen/Zugführer oder Pilotinnen/Piloten zu allen Tages- und Nachtzeiten wach und aufmerksam sind und fehlerfrei arbeiten. Defizitäre Aufmerksamkeitsleistungen können andere Menschen in Gefahr bringen; besonders im Straßenverkehr ist das täglich erlebbar. Es ist nicht jeder oder jedem bekannt, dass Störungen der inneren Uhr mit Schlafmangel und unmittelbaren Defiziten der Aufmerksamkeitsleistungen und einer erhöhten Fehleranfälligkeit einhergehen. Neben den akuten Konsequenzen betreffen die Folgen von Schlafmangel und Unaufmerksamkeit letztlich alle Menschen, beispielsweise in Form erhöhter Gesundheits- und Krankheitskosten, die weitgehend gesamtgesellschaftlich getragen werden (Hafner et al. 2017). Somit ergeben sich wiederum Vorteile für alle Menschen, wenn evidenzbasierte Präventions- und Lösungsstrategien in den Alltag integriert werden können. Eine Voraussetzung hierzu ist nicht allein ein „Um-Denken“, sondern auch ein „Neu-Denken“ unserer Lebenswelten. Dabei gilt es, zeitnah Empfehlungen für den dazu notwendigen Prozess des „Neu-Denkens“ zu erarbeiten.
Interessenkonflikt: Das Autorenteam gibt an, dass keine Interessenkonflikte vorliegen.
Literatur
Czeisler CA, Duffy JF, Shanahan TL et al.: Stability, precision, and near-24-hour period of the human circadian pacemaker. Science 1999; 284 (5423): 2177–2181.
Hafner M, Stepanek M, Taylor J, Troxel WM, van Stolk Ch: Why Sleep Matters-The Economic Costs of Insufficient Sleep: A Cross-Country Comparative Analysis. Rand Health Quarterly 2017; 6 (4): 11.
Hastings MH, Maywood ES, Reddy AB: Two decades of circadian time. J Neuroendocrinol 2008; 20: 812–819.
Kantermann T: Humanchronobiologie in Zeiten von Arbeit 4.0, in Gesundheit und Arbeit 4.0. In: Matusiewicz D, Nürnberg V, Nobis S (Hrsg.): Gesundheit und Arbeit 4.0. Heidelberg: medhochzwei Verlag, 2018.
Moreno CRC, Marqueze EC, Sargent C, Wright KP Jr., Ferguson SA, Tucker P: Working Time Society consensus statements: Evidence-based effects of shift work on physical and mental health.Ind Health 2019; 57 (2): 139–157.
Roenneberg T, Kantermann T, Juda M, Vetter C, Allebrandt KV: Light and the human circadian clock.Handb Exp Pharmacol 2013; 217: 311–331.
doi:10.17147/asu-1-189924
Weitere Infos
FOM Hochschule für Oekonomie & Management: Circadiane Rhythmen und Technologie – Desynchronisation im Alltag (CIRCADIA)
https://www.fom.de/forschung/institute/iap/forschungsprojekte.html#!acc…
DGUV Information 215-220 (2018): Nichtvisuelle Wirkungen von Licht auf den Menschen
https://publikationen.dguv.de/widgets/pdf/download/article/3247
Harth V, Terschüren C, et al. (2020) S2k-Leitlinie „Gesundheitliche Aspekte und Gestaltung von Nacht- und Schichtarbeit“ (AWMF Registernummer 002 – 030) 2020
https://www.awmf.org/leitlinien/detail/ll/002-030.html
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung ISI: Circadiane Rhythmen und Technologie – Desynchronisation im Alltag (CIRCADIA)
https://www.isi.fraunhofer.de/de/competence-center/foresight/projekte/c…
Foto: © Joseph Maniquet-stock.adobe.com
Kernaussagen
KOAUTORIN/KOAUTOR
Friederike Sophie Mork-Antony, M.Sc. Psychologie
FOM Hochschule für Oekonomie & Management, Essen
Prof. Dr. phil. Kerstin Cuhls
Fraunhofer-Institut für System- und Innovationsforschung (ISI), Karlsruhe
kerstin.cuhls@isi.fraunhofer.de
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