Lichtwirkungen – Vom Augenblick bis ewig

Die Lichtbiologie und Chronobiologie beschäftigen sich mit den Wirkungen des Lichts auf das Leben. Die Lichtbiologie tut es seit etwa 200 Jahren, die Chronobiologie erst seit den 1950er Jahren.

Etwas länger beschäftigt sich der Bauer mit Lichtwirkungen, so etwa seit 20.000 Jahren. Was er sät und erntet, wächst und gedeiht unter Licht. Heute ernten Leute in vertikalen Gärten oder künstlich beleuchteten Feldern, ohne sich Bauern zu nennen. Landwirtschaft bleibt trotzdem Ernten des Lichts.

Das kürzeste Lichtereignis, das wir wahrnehmen, ist ein Blitz. Dieser muss eine Länge von etwa einer Millisekunde haben, damit wir es sehen. Das Gehirn macht rund 5 ms daraus.

Um auf einen solchen Reiz zu reagieren, brauchen wir ca. 250 ms. Dauert das Licht länger an, gewöhnt sich das Auge langsam daran. Die Anpassung an die Helligkeit, die Adaptation, ist nach etwa einer Minute abgeschlossen. Die Anpassung an die vorherrschende Farbe, die Farbumstimmung, dauert etwas länger. Sie ist nach etwa 10 Minuten vorbei.

Wenn chemische Vorgänge im Spiel sind, muss man mit längeren Zeiten rechnen. So braucht das Auge für eine vollständige Anpassung an die Lichtlosigkeit etwa 30 Minuten. Der Ausguck auf Segelschiffen brauchte einst so lange, bis seine Augen volle Sehkraft erreichten. Das Auge braucht diese Zeit, um den Sehpurpur wieder zu regenerieren.

Auch die Wirkung auf die Haut braucht ihre Zeit. Unter der tropischen Sonne ist ein bleicher Mitteleuropäer nach etwa 10 Minuten „gar“. Er hat einen Sonnenbrand. Etwas länger braucht die Haut, Vitamin D herzustellen.

Die in der Wissenschaft bekanntesten Wirkungen dauern etwa einen Tag. Deswegen heißen sie circadian wie etwa einen Tag lang. Sie werden aber nicht durch Licht erzeugt, es gibt sie auch im Dunkeln. Das Licht der Sonne synchronisiert diese auf exakt 24 Stunden. Allerdings glaubt man, dass sie durch den Wechsel zwischen Licht und Dunkel entstanden sein müssen.

Ob die circadianen Wirkungen doch nicht Lichtwirkungen sind? Möglich ist es, denn sie hängen mit einem der ältesten Moleküle zusammen, dem Melatonin. Dessen Alter liegt in der gleichen Größenordnung wie das des Sonnensystems, in Milliarden von Jahren. Das Sonnensystem wird derzeit auf 4,56 Milliarden Jahre geschätzt, das Melatonin auf „nur“ 2,5 bis 3 Milliarden Jahre.

So hat sich das Melatonin in alle möglichen Lebensvorgänge eingeschleust. In  der Tiefsee (unterhalb von 1.000 Metern, der Abyssopelagial-Zone) gibt es zwar kein Sonnenlicht. Dennoch besitzen viele Tiefsee-Organismen circadiane Rhythmen (innere Uhren). In der Tiefsee (und den Schichten darüber) findet jeden Tag die Diel Vertical Migration (DVM) statt. Milliarden von Tonnen an Biomasse (Zooplankton, kleine Fische, Garnelen) steigen bei Sonnenuntergang aus der Tiefe (bis zu 1.000 m) an die Oberfläche, um zu fressen, und sinken bei Sonnenaufgang wieder ab. Wenn man vom pulsierenden Leben spricht, sollte man immer an diesen Vorgang denken. Melatonin wirkt wie das Zeitgedächtnis des Lebens.

Die nächstlängere Wirkung des Lichts ist das Zeitgedächtnis des Körpers für Vitamin D. Dieses verbleibt im Blut mehrere Wochen, im Fettgewebe bleibt es gar für Monate gespeichert.

Ob die unerwünschten Wirkungen des Lichts auf die Haut, die Verbrennung, nach der Heilung „vergessen“ werden, ist umstritten. Die sichtbaren Wirkungen sind meist nach Tagen abgeklungen. Zur Entwicklung von Hautkrebs, wenn überhaupt, braucht es länger. Die Dermatologen sind der Meinung, dass die Haut ein Gedächtnis für Lichtwirkungen hat.

Die nächstlängere Wirkung ist zwar gut bekannt, aber schlechter erforscht, die circannuale Wirkung. Sie dauert etwa ein Jahr, daher der Name. Sie wird durch das Sonnenlicht auf ein Jahr synchronisiert. circannuale Rhythmen (von lat. circa = ungefähr und annus = Jahr) die biologischen Anpassungen an die Jahreszeiten.

Melatonin ist dabei der entscheidende chemische Kalender des Körpers, sein Langzeitgedächtnis.

Das Gehirn (genauer die Zirbeldrüse) misst nicht die Helligkeit des Tages, sondern die Dauer der Dunkelheit.

• Im Winter: Die Nächte sind lang, also schüttet der Körper über einen längeren Zeitraum Melatonin aus.
• Im Sommer: Die Nächte sind kurz, das Melatonin-Zeitfenster schrumpft.

Diese unterschiedliche „Dauer des Melatonin-Signals“ ist für den Körper die Information, in welcher Jahreszeit er sich befindet. Das ist besonders bei Tieren extrem ausgeprägt, betrifft uns Menschen aber auch.

Die Wirkung des Gedächtnisses auf Pflanzen und Tiere ist derart mächtig, dass eine Anpassung an äußere Umstände nicht erfolgt. So leben Hirsche, die man aus dem Norden nach Neuseeland gebracht hat, nach ihrem ursprünglichen Jahresrhythmus, die Mistkäfer in Australien auch, die man aus Asien importieren musste. In Australien gibt es zwar viel Mist, aber die Mistkäfer haben gefehlt. Jetzt sind sie da, leben aber in der falschen Jahreszeit.

Besser bekannt ist der Weihnachtsstern, der den Rhythmus aus der Heimat in Südamerika beibehält. Dort findet zwar Weihnachten zur gleichen Zeit wie bei uns statt, aber mitten im Sommer.

Die zeitlich längste periodische Wirkung ist der Blütezyklus des Bambus. Dieser gilt als biologisches Rätsel. Wenn eine Bambusart blüht, tun dies alle Pflanzen dieser Art weltweit zur gleichen Zeit, egal wo sie sich befinden. Ein Ableger eines Bambus aus China, der vor 50 Jahren nach Europa gebracht wurde, wird im selben Jahr blühen wie die Mutterpflanze in Asien. Alle Ableger einer Bambusart blühen nach einer Periode von 80 bis 120 Jahren gleichzeitig überall auf der Welt. Dieser Akt ist so erschöpfend, dass alle danach absterben.

Auch in Bambus wurde Melatonin (Phytomelatonin) nachgewiesen. Es spielt eine Rolle bei der Stressbewältigung der Pflanze und könnte an der Signalübertragung beteiligt sein, die den Übergang vom vegetativen Wachstum (Blätter und Halme) zum reproduktiven Wachstum (Blüten) einleitet.

Das Knacken der „Bambus-Uhr“ ist für Botaniker so etwas wie der Heilige Gral. Die Pflanze scheint die wechselnden Jahreszeiten abzuzählen, wobei man berücksichtigen muss, dass diese nicht überall gleich ausgeprägt sind. Der Bambus wächst von den Tropen bis in die Höhenlagen der Anden auf vielen Gebieten. Auch in Europa gab es ihn vor der Eiszeit als einheimische Art.

Melatonin scheint auch eine Rolle in längeren Perioden des Lebens zu spielen, so im Leben des Grönlandhais, der mit 150 Jahren geschlechtsreif wird.

Obwohl wir glauben, recht gut über Melatonin Bescheid zu wissen, bleiben viele Rätsel zu lösen:

• Vom Bakterium zum Menschen: Wie genau gelangte das Melatonin von den Ur-Zellen in unser Gehirn?
• Antioxidative Kraft: Warum ist Melatonin als Zellschutz chemisch so effektiv (vielleicht sogar besser als Vitamin C)?
• Licht und Schatten: Wie hat die Evolution den Rhythmus "Licht aus = Melatonin an" so fest im Erbgut verankert?

Eine Antwort könnte sein: In der frühen Erdgeschichte gab es noch keine schützende Ozonschicht. Die UV-Strahlung der Sonne war so intensiv, dass sie die DNA der ersten Einzeller sofort zerstört hätte. Daraus folgte:

1. Die Nacht-Strategie: Die ersten Lebewesen verlegten ihre empfindlichsten Prozesse (wie die Zellteilung) in die Nacht. Melatonin entstand dabei als ein chemischer "Bodyguard" (Antioxidans), um Zellschäden zu reparieren.
2. Die Kopplung: Da Licht Zerstörung bedeutete und Dunkelheit Sicherheit, „lernten“ die Zellen, die Produktion dieses Schutzstoffes an die Abwesenheit von Licht zu koppeln. Wer diesen Rhythmus im Erbgut hatte, überlebte und gab ihn weiter.

Unsere angelernte Reaktion: Hell ist gut, Dunkel ist eher gefährlich, gehört also nicht zu dem  Erfahrungsschatz der Natur.

Um zu verstehen, warum der circadiane Rhythmus so extrem fest sitzt, kann uns eine der  folgenden vier Spuren viel erklären:

1. Der chemische Pfad (Tryptophan & Serotonin): Wie wird aus einer Aminosäure eigentlich das "Schlaf-Signal" und warum braucht dieser Prozess Lichtpausen?
2. Das Paradoxon: Warum wirkt Melatonin bei tagaktiven Wesen als „Schlaf-Signal“ und bei nachtaktiven Wesen als „Weck-Signal“?
3. Die Rolle der "Blau-Rezeptoren": Warum reagiert unser Erbgut heute so empfindlich auf Bildschirme, obwohl unsere Vorfahren kein Handy hatten?
4. Der evolutionäre Vorteil: Warum war es für unsere Vorfahren lebensgefährlich, wenn dieser Rhythmus nicht perfekt funktioniert hat?

Wir müssen dann die Beziehung(en) zwischen den circadianen und den circannualen Rhythmen verstehen lernen.