How to stop a biological clock: Point of singularity

Abstract

Many processes in organisms proceed rhythmically. There are, for instance, daily rhythms as adaptations to the 24 hour time structure of the environment, annual rhythms as adaptations to the course of the year, but also shorter rhythms without any correlate to the environment such as the heart beat and respiration. Such rhythms can be stopped by a disturbance by e.g a light pulse given at a certain time point of an oscillation with a special strength. Models show, that the underlying oscillator is brought from a limit cycle into a singular point. Examples for daily rhythms, for an annual rhythm, and for the heart beat are presented, in which the rhythm is stopped. How this property can be used in the praxis is demonstrated by the case of the sudden heart-circulation collaps and in the photoperiodic flower induction of a plant.

Viele Vorgänge bei Organismen verlaufen rhythmisch. So gibt es zum Beispiel Tagesrhythmen als Anpassung an die 24 stündige Zeitstruktur der Umwelt, Jahresrhythmen als Anpassung an den Jahreslauf, aber auch kürzere Rhythmen, die keine Korrelate in der Umwelt haben wie der Herzschlag oder die Atmung. Solche Rhythmen können durch Störungen zum Erliegen gebracht werden, zum Beispiel durch einen Lichtpuls, der zu einem ganz bestimmten Zeitpunkt der Schwingung mit einer besonderen Stärke gegeben wird. Modelle zeigen, dass der zugrunde liegende Oszillator von einem Grenzzyklus in einen singulären Punkt gebracht wird. Beispiele für Tagesrhythmen, für einen Jahresrhythmus und für den Herzschlag werden vorgestellt, bei denen der Rhythmus gestoppt wird. Wozu diese Eigenschaft in der Praxis benutzt werden kann, wird am plötzlichen Herz-Kreislauf Kollaps und der photoperiodischen Blühinduktion einer Pflanze gezeigt.