AB 16_2.3
Thema:  Der Nobelpreis für die „Innere Uhr“ –  wie Proteine ticken

Übrigens ist die Idee, dass Organismen über einen inneren Rhythmus verfügen, nicht neu. Schon im 18. Jh. beschäftigte den Geophysiker J. d’Ortous de Mairan (1687 – 1771) folgende Beobachtung: „Die Mimose entfaltet ihre Blätter am Morgen und faltet sie wieder am Abend. Stellt man die Pflanze in einen völlig dunklen Raum, so zeigte sich dieses „Verhalten“ auch.“
De Mairan vermutete, dass es so etwas wie einen inneren Rhythmus in der Mimose geben müsse, der dieses bewirkt. Er hatte recht, auch wenn er damals keine Erklärung dafür finden konnte.

1. Beschreibe den Versuch mit der Gurkenpflanze (Youtube-Film) und erläutere die dazugehörige Grafik rechts.
2. Erläutere kurz in eigenen Worten den in der Quelle geschilderten Selbstversuch von Michel Siffre in einer Gletscherhöhle.
   Textbeginn in der Quelle: “Mein Gott, warum habe ich bloß solche Ideen?“

https://www.youtube.com/watch?v=_qu09TKSNso (Zugriff: 2017-10-03)
https://www.dw.com/de/extremes-experiment-40-tage-in-finsterer-h%C3%B6hle/a-57110767 (Zugriff: 2021-05-05)

Eine Mutation ist eine zufällig auftretende Veränderung der Erbinformation (= DNA). Ihr Auftreten ist ungerichtet, d.h. sie verfolgt kein bestimmtes Ziel. Sie kann spontan erfolgen oder durch äußere Einwirkungen (Stoffe, Strahlung, Temperatur, etc.) erzeugt werden.

2. Verfolge die in der Abbildung dargestellten Abläufe auf der Grundlage des sich anschließenden Textes.

3. Beschreibe und erkläre die in der Abbildung (16_2.3-4) dargestellten Kurvenverläufe zur Aktivität der Proteine „CYC“/„CLK“ und der Gene „timeless“/„period1“. Falls du Hilfe für das Lesen von Diagrammen benötigst, findest du diese im Arbeitsmaterial AW 5.

Abb. AB 16_2.3-4
Aktivitäten* von Proteinen und Genen der inneren Uhr in Drosophila-Zellen im Zeitraum von 24 Stunden

* Der Begriff „Aktivität“ ist eine Größe ohne Dimension. Sie steht in diesem Zusammenhang für die Intensität der Wirksamkeit der genannten Proteine im Vergleich zu der Menge der von den zwei Genen gebildeten m-RNAs im Verlaufe von 24 Stunden. 

4. Beschreibe und erläutere das Geschehen in Zusammenhang mit der circadianen Uhr bei Säugetieren, z.B. dem Menschen.
   Die Ausführungen und die Abbildungen zur inneren Uhr bei Drosophila können dir dabei helfen.
   Lies dazu auch folgende Informationen:
   • Die hier dargestellten Vorgänge geben nur einen Ausschnitt der circadianen Uhr bei Säugetieren wider, so dass ein grundsätzlicher Vergleich mit den entsprechenden Vorgängen bei Drosophila möglich ist. In der Realität ist der gesamte Vorgang bei Säugetieren wesentlich komplizierter, da zusätzlich weitere Rückkopplungen wirksam werden.
   • Die hier beteiligten Proteine bzw. Gene ähneln in mehreren Fällen denen, die auch bei Drosophila vorkommen. Sie sind aufgrund ähnlicher DNA miteinander verwandt (= homolog).
   • Bei Drosophila ist eine unmittelbare Einwirkung des Lichtes auf den circadianen Rhythmus nachzuweisen. Bei Säugetieren spielt das Licht insofern eine Rolle, als eine Reizung der Zellen in den Augen erfolgt, Nervenimpulse ausgelöst werden und entsprechende Informationen über die Sehnerven an das Gehirn geschickt werden (siehe Infos in Aufg. 5).

5. Im Vergleich zu Drosophila zeigen Säugetiere – so auch der Mensch – einen in mehrfacher Hinsicht komplexeren Regelungsmechanismus für den circadianen Rhythmus.

• Es sind nicht nur weitere Regelkreise an diesem Prozess beteiligt, sondern es gibt so etwas wie eine Hierarchie der inneren Uhren.
  Die zentrale Stelle für den circadianen Rhythmus beim Menschen befindet sich in einem Teil des Hypothalamus. Dieser Teil des Gehirns ist als oberstes Steuerzentrum verantwortlich für fast alle Vorgänge in unserem Körper (Hunger, Durst, Hormonhaushalt, Körpertemperatur, Herz-Kreislauf-System, Schlafen, Wachen, etc.).
• In einem Teil des Hypothalamus – in der Nähe vorbeiziehender Sehnerven – liegt der „Nucleus suprachiasmaticus (NSC)“ (Abb. 16_2.3-6). Über die Sehnerven gelangen Impulse zum NSC. Diese führen dazu, dass in den dort vorhandenen Nervenzellen unsere übergeordnete circadiane Uhr (= Master Clock) tickt.
• Befehle, die auf ihrer Grundlage „gegeben“ werden, gelangen letztlich in alle Bereiche des Körpers. Dort treffen sie auf Organe, die eine eigene, untergeordnete innere Uhr besitzen (= Post Clocks). Sie bewirken so etwas wie eine Feinregulierung der ankommenden Rhythmus-Befehle.

Stelle eine Hypothese auf, warum es sinnvoll sein kann, zusätzlich nachgeordnete innere Uhren zu besitzen.

Abb. AB 16_2.3-6 Innere Uhren beim Menschen

Der Mensch kann durch den Einsatz seines Willens begrenzt gegen die Rhythmusvorgaben seines Körpers arbeiten, z.B. im Rahmen von Schichtarbeit. Doch wenn die innere Uhr dauerhaft verstellt wird, hat dieses meistens negative gesundheitliche Folgen.

6. Egal ob Einzeller, Pflanzen, Insekten oder Säugetiere, alle besitzen einen circadianen Rhythmus.

a- Stelle eine Hypothese darüber auf, worin eigentlich der Sinn bzw. der Vorteil der „Inneren Uhr“ liegt.
b- Bei Drosophila findet man in Zusammenhang mit der “Inneren Uhr” u.a. das Gen „period1“, beim Menschen das Gen „period2“.
Bewerte diese Gleichartigkeiten bzw. suche nach den Ursachen.

a-Wenn ein Organismus sich ständig im „normalen Betriebsmodus“ befinden würde, wäre das nicht nur sehr belastend für den Körper, sondern auch eine Verschwendung von Energie und Stoffen. Es ist ökonomisch, die vorhandene Energie und die zur Verfügung stehenden Stoffe nur dann zu verwenden, wenn eine aktive Phase vorliegt und das ist normalerweise tagsüber der Fall.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist die „Automatisierung“ des An- und Ausschaltens der Aktivitäten durch die inneren Uhren. Es wäre doch sehr aufwendig und nicht sinnvoll, wenn wir die vielen Körperfunktionen, die mittels der inneren Uhren gesteuert werden mithilfe unseres Willens steuern müssten. Da würde auch Vieles schieflaufen!
zu b-
Seit der Entstehung des Lebens auf der Erde mussten sich alle Organismen mit der Tatsache auseinandersetzen, dass es einen Rhythmus von Tag und Nacht gibt. Das heißt, dass es entsprechende Lösungen auch schon sehr lange gibt. Auf molekularer Ebene verlaufen sie – zumindest bei den tierischen Lebewesen – immer nach ähnlichem Prinzip.
Nach dem Evolutionsgedanken entwickeln sich derartige Prozesse jedoch kaum unabhängig voneinander. Dementsprechend ist das Vorkommen sehr ähnlicher Gene und Proteine in Zusammenhang mit den inneren Uhren bei Drosophila und Mensch auch ein Hinweis auf die stattgefundene Evolution. Überspitzt könnte man auch sagen, dass diese Parallelen darauf hinwiesen, dass wir auch mit der Fliege Drosophila verwandt sind.

7.  Die folgende Abbildung zeigt einige konkrete Beispiele zu Auswirkungen in Zusammenhang mit dem circadianen Rhythmus beim Menschen (Abb. AB 16_2.3-7).
   Nenne einige Schlussfolgerungen, die aus den aufgeführten Auswirkungen zu ziehen sind.
   
   Dass die Thematik der „Inneren Uhr“  übrigens auch in Zusammenhang mit dem Thema „Schule“ diskutiert wird, zeigt u.a. der folgende Artikel.
   http://www.sueddeutsche.de/bildung/schule-je-spaeter-der-schulbeginn (Zugriff: 2017-10-20)

8. Sicherlich ist die Erforschung der Grundlagen der inneren Uhr hoch interessant und spannend. In diesem Zusammenhang wird von sogenannter Grundlagenforschung gesprochen.
   Jede Grundlagenforschung führt jedoch irgendwann immer zu der Frage, wie man sie konkret nutzen kann.
   Das wird auch in Zusammenhang mit der inneren Uhr so sein.

Stell dir vor, du hättest die Möglichkeiten durch die Entwicklung eines Medikamentes auf die am circadianen Rhythmus beteiligten Moleküle (siehe Abb. AB 16_2.3-3.) Einfluss zu nehmen.

1. Beschreibe und erkläre zunächst, was du damit grundsätzlich erreichen könntest.
   Nenne konkrete Beispiele der Anwendung. Denke dabei nicht nur an den Menschen, sondern z.B. auch an Nutztiere.
2. Diskutiere Vor- und Nachteile, die ein Eingreifen in den circadianen Rhythmus bei Menschen oder Tieren mit sich bringen könnte.
   Denke dabei auch an ethische Gesichtspunkte!

Eine Rückkopplung (= Feed-Back-Mechanismus) beschreibt Vorgänge, bei denen die Ausgangsgröße direkt oder indirekt Einfluss auf sich selbst nimmt. Die damit verbundene Regelung setzt einen Kreislauf voraus, bei dem – manchmal durch mehrere zwischengeschaltete weitere Größen – der Zustand einer Gegebenheit überprüft und gegebenenfalls geändert wird. Ein derartiges Modell wird auch Regelkreis genannt.

Eine negative Rückkopplung beschreibt einen Regelkreis, bei dem die Veränderung einer Größe eine Wirkung verursacht, die auf diese Größenveränderung selbst zurückwirkt und damit ihre ursprüngliche Veränderung verringert oder ganz eingestellt.

Dieser Vorgang ist nicht nur im Stoffwechsel der Zellen zu beobachten, sondern auch in der Wirtschaft:
Die verstärkte Produktion eines Gebrauchsgegenstandes kann dazu führen, dass der Markt zunehmend gesättigt ist, d.h. der Gegenstand wird immer weniger benötigt. Die Produktherstellung wird dann zurückgefahren oder ganz eingestellt.