Um den Cliffhanger gleich aufzulösen: Nein, Tag und Nacht sind nicht egal, wenn es darum geht, wann wir wach sind oder schlafen – wann unser Gehirn auf Hochtouren läuft oder wann es dösen will. Nur ist das Erstaunliche, dass der Tageslauf diesen Rhythmus des Lebens nicht allein bestimmt.

Von der Grünalge bis zum Ginkgobaum, vom Käfer bis zum Känguru folgt jedes Lebewesen einem geregelten Ablauf, nach dem es schläft, isst und stoffwechselt. Über Jahrhunderte wunderten sich Forscher, wieso Tiere und Pflanzen diesen Takt beibehalten, selbst wenn man sie isoliert. Noch nach Monaten in völliger Dunkelheit scheinen sie nicht zu vergessen, wann es Zeit ist, aktiv zu sein, und wann Ruhe angesagt ist. Zwar tickt ihre innere Uhr irgendwann nicht mehr synchron zum Tageslauf: Doch sie tickt. Warum?

Weil Gene sie steuern! Eigentlich war es Ronald Konopka, Doktorand des berühmten Mikrobiologen Seymour Benzer, der als erster nachwies, dass Gene – also das Erbgut – die innere Uhr regulieren. Am California Institute of Technology (Caltech) machte er Anfang der 1970er-Jahre Versuche mit der Fliege Drosophila melanogaster (Ja, diese Fliege hätte eigentlich den Nobelpreis verdient!). Seine Versuchstiere setzte er gezielt Stoffen aus, durch die ihre Gene leichter mutierten. Anschließend testete er das Bewegungsverhalten der Nachkommen.

Schlaflos im Fruchtfliegenkäfig

Dabei fielen ihm drei Fliegen besonders auf, deren Leben offensichtlich aus dem Takt geraten war (PNAS: Konopka/Benzer, 1971, pdf). Statt wie ihre Artgenossen etwa zwölf Stunden wach und zwölf dösig zu sein, hatte sich ein Drosophila-Exemplar auf einen 19-Stunden-Rhythmus, ein anderes auf 28 Stunden eingeschossen. Eine dritte Fliege wurde schlichtweg wahnsinnig: Sie wechselte planlos zwischen Wach- und Ruhezustand.

Konopka entdeckte das erste Zahnrädchen – Hall, Rosbash und Young setzten die Uhr zusammen.
Gregor Eichele, Chronobiochemiker am MPI in Göttingen

Sowohl Konopka als auch sein Doktorvater kamen also der biologischen Uhr und ihren genetischen Grundlagen auf die Spur. Ein echter Meilenstein der Forschung. Da beide nicht mehr leben, teilen sich nun ihre Nachfolger auf diesem Fachgebiet den Nobelpreis in Medizin oder Physiologie 2017: die Chronobiologen Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash und Michael W. Young.

Die drei erforschten eine ganze Reihe von Genen an Fruchtfliegen, die den zirkadianen Rhythmus (siehe Infobox) regulieren. "Konopka entdeckte das erste Zahnrädchen  – Hall, Rosbash und Young setzten die Uhr zusammen", erzählt Gregor Eichele vom Max-Planck-Institut für biophysikalische Chemie in Göttingen im Gespräch mit ZEIT ONLINE. Eichele forscht auf demselben Gebiet wie die Nobelpreisträger.

Im Jahr 1984 schafften es Jeffrey C. Hall und Michael Rosbash, das Fruchtfliegen-Gen namens "period", welches in Konopkas Experimenten mutiert war, zu isolieren (Cell: Zehring et al., 1984). Die beiden Wissenschaftler forschten damals in derselben Arbeitsgruppe an der Brandeis-Uni in Waltham bei Boston. Unabhängig davon gelang Michael Young an der Rockefeller-Universität in New York dasselbe (Nature: Bargiello et al., 1984). Darum, wer seine Ergebnisse zuerst publizieren würde, lieferten sich die Forscher in den 1980er-Jahren einen harten Wettstreit: Am Ende erschienen beide Arbeiten im selben Jahr. Dieses Jahr nun erhalten alle drei die höchste Ehrung in der Welt der Wissenschaft.

Gene enthalten Baupläne für Eiweiße (hier ein anschauliches Video dazu). Wie diese aufgebaut sind und welche Rolle sie am Ende in einem Organismus spielen, hängt also davon ab, was in der Anleitung – dem genetischen Code – steht. Das Protein, das nach dem Bauplan des Gens "period" im Körper von Fruchtfliegen gebildet wird, entdeckten Hall und Rosbash als nächstes. Und sie stellten fest: Tagsüber produzieren die Fruchtfliegen wenig davon, nachts eher mehr. Dieser Rhythmus verlief ziemlich genau im 24-Stunden-Takt, also zirkadian. Zum ersten Mal wusste man, wie wohl der Taktgeber eines Lebewesens funktioniert.

Die Uhr muss gestellt werden. Dabei hilft Licht

Doch das erklärte noch nicht, wie Pflanzen, Tiere und Menschen ihre biologische Uhr mit der Außenwelt synchronisieren. Denn in der Tat passen sich Lebewesen dem Lauf von Tag und Nacht an. Menschen zum Beispiel haben von Natur aus einen in etwa dem astronomischen Tag entsprechenden Rhythmus von etwas mehr als 24 Stunden. Trotzdem gehen sie, sofern sie nicht an Schlafstörungen leiden, keinesfalls jeden Tag später ins Bett. "Genau wie andere Lebewesen, justiert der Mensch seine Uhr also täglich neu", erklärt Gregor Eichele, der die Genetik der Chronobiologie an Mäusen erforscht. 

Dabei orientiert sich der Mensch am Sonnenlicht. Die wichtigsten Rezeptoren dafür sitzen direkt auf der Netzhaut. Das erkläre auch, warum vollständig blinde Menschen Probleme damit hätten, über längere Zeit synchron zur Tages- und Nachtzeit zu leben. Auch sie verfügen zwar über eine funktionierende innere Uhr. Doch die kann sich, wenn keinerlei Licht mehr wahrgenommen wird, nicht mit der Sonne abgleichen.

Wie dieser Abgleich genau funktioniert, wird weiter erforscht. Doch mit der Entdeckung weiterer Gene und Proteine, die auf das Licht reagieren, die innere Uhr am Laufen halten und dafür sorgen, dass der zirkadiane Rhythmus stabil bleibt, haben Rosbash, Hall und Young die Chronobiologie ein großes Stück weitergebracht.

"Die Arbeit der Nobelpreisträger ist eine Grundlage für das, was Schlafforscher immer wieder beobachten", sagt Gregor Eichele. "Heute leben wir in einer Welt mit künstlichem Licht. Das verändert den natürlichen Wechsel aus Hell und Dunkel", sagt Eichele. Inzwischen wisse man, dass bestimmte Krankheiten, Übergewicht oder dauerhafte Schlafstörungen entstehen können, wenn Menschen dauerhaft gegen ihre innere Uhr leben.

It’s a great day for the fruit fly.
Michael Rosbash über seinen Nobelpreis 2017

Es sei vor allem "ein großer Tag für die Fruchtfliege", sagte einer der Geehrten, Michael Rosbash, als ihn das Nobelkomitee aus Stockholm erreichte, und wollte damit eine Lanze für die etwas aus der Mode gekommene Forschung an dem berühmtesten Modellorganismus der Genetik brechen.

Was er und seine Mitstreiter erforscht haben, gilt eben nicht nur für Drosophila. "Die innere Uhr, wie die drei sie beschrieben haben, ist universell", sagt Gregor Eichele.

Ob es das Plankton im Meer ist, das je nach Tageszeit auf- und abwabert, eine Mimose, die mit Aufgehen der Sonne ihre Blätter gen Himmel streckt, oder eine Fledermaus, die pünktlich zur Dämmerung aufwacht, um zum Jagen zu fliegen: In allen Lebewesen tickt es stetig und gleichmäßig. Ein Leben lang.

Dass die biologische Uhr des Menschen eher nach der Erde geht als nach dem Mond, hat natürlich etwas mit unserer Evolution zu tun. "Sie käme aber nicht aus dem Takt, würden wir auf andere Planeten auswandern", sagt Chronoforscher Eichele. Wir hätten vermutlich nur einen gewaltigen außerirdischen Jetlag. An den Marstag mit seinen 24 Stunden und 37 Minuten dürfte der Mensch sich vergleichsweise schnell gewöhnen. Viele Erdlinge ticken, was ihre innere Uhr angeht, eh schon wie künftige Marsmenschen.

Am Dienstag, den 3. Oktober werden der oder die Preisträger in der Kategorie Physik bekanntgegeben. Verfolgen Sie hier die Berichterstattung.