1. Einleitung
Die rasante Entwicklung in der Flugzeugtechnik hat es möglich gemacht, dass die Luftfahrtindustrie ein preiswertes Reisemittel für Geschäftsleute und Urlauber anbieten kann. Dadurch kommt es - im Vergleich zu anderen Touristikbranchen - zu hohen Zuwachsraten im Luftverkehr nicht nur bei naheliegenden Reisezielen, sondern auch bei Fernreisen. Interkontinentales Reisen ist mit erheblichen Veränderungen der Umwelt verbunden, deren Einflüsse Gesundheit und Wohlbefinden beeinträchtigen können. Wenn Breitengrade überquert werden - wie bei Flügen in nördlicher oder südlicher Richtung - wechseln die klimatischen Bedingungen; bei transäquatorialen Flügen sogar die Jahreszeit. Dadurch kommt es zum Beispiel vor, dass ein Reisender, der in Frankfurt bei 0°C startet, nach 11 Stunden Flugzeit in Johannesburg nach dem Verlassen des Flugzeugs eine Außentemperatur von 30°C antrifft. Wenn Längengrade überquert werden - wie bei Flügen in westliche oder östliche Richtung - verschiebt sich die Ortszeit. So trifft ein Reisender, der um 10:00 Uhr in Frankfurt startet und nach einem 12-stündigen Flug über 9 Zeitzonen in San Franzisko landet, dort um 13:00 Uhr ein, obwohl seine Uhr schon 22:00 Uhr anzeigt.
Das Phänomen des Jet-Lag tritt dann und nur dann ein, wenn transmeridiane Flüge (d.h. Flüge über mehrere Zeitzonen) zum Erreichen des Reiseziels durchgeführt werden. Fernreisen in Nord-Süd-Richtung, auch wenn sie in der Nacht erfolgen, führen in der Regel nicht zu Jet-Lag. Die Symptomatik des Jet-Lag äußert sich durch Schlafstörungen in der Nacht und durch ungewöhnliche Müdigkeit, verminderte Leistungsfähigkeit und Aufmerksamkeit am Tage und durch gastrointestinale und psychosomatische Probleme. Diese Symptomatik kann mehrere Tage oder sogar Wochen anhalten.
Neben Fluggästen, seien es Geschäftsleute oder Touristen, unterliegen auch Personen, die berufsmäßig Flüge über viele Zeitzonen durchführen, den Symptomen des Jet-Lag. Flugbesatzungen (Piloten und Flugbegleiter) können besonders unter den Folgen des Jet-Lag leiden, da sie infolge des häufigen Einsatzes auf transmeridianen Routen chronisch den Veränderungen der Ortszeit ausgesetzt sind.
2. Determinanten des Jet-Lag
Um die Ursachen für das Auftreten von Jet-Lag zu verstehen, ist es notwendig zu erläutern, welche physikalischen und biologischen Mechanismen dabei eine wesentliche Rolle spielen. Grundsätzlich sind drei Faktoren für das Entstehen von Jet-Lag verantwortlich: Das natürliche Zeitsystem, die hohe Geschwindigkeit des Flugzeugs und die zirkadiane Rhythmik (die sogenannte "innere Uhr") des Menschen.
2.1 Das natürliche Zeitsystem Das natürliche Zeitsystem basiert auf dem regelmäßigen Wechsel von Tag und Nacht. Die Erde dreht sich in 24 Stunden einmal um sich selbst. Da der Globus in 360 Längengrade (Meridiane) unterteilt ist, verschiebt sich das Tageslicht durch diese Rotation von einem Längengrad zum nächsten um 4 Minuten; 15 Längengrade werden in einer Stunde überbrückt . Die Erde ist daher in 24 Zeitzonen unterteilt, von denen jede 15 Längengraden entspricht. In der Wirklichkeit sind die Zeitzonen allerdings nicht strikt nach den Meridianen festgelegt, sondern unterliegen geographischen und nationalen Grenzen. So umfasst zum Beispiel die mitteleuropäische Zeit (MEZ) Länder, die eher in einer Zeitzone früher (Polen) oder in einer Zeitzone später (Spanien) liegen. Auf Flügen in Richtung Osten wird der Tag verkürzt und die Uhr muss um soviele Stunden vorgestellt werden wie Zeitzonen überflogen werden. Umgekehrt ist es bei Flügen in westliche Richtung, wenn der Tag verlängert wird und die Uhr zurückgestellt werden muss. Ostflüge sind mit einer Vorverlagerung der Ortszeit ("advance shift") verbunden, Westflüge dagegen mit einer Verzögerung ("delay shift"). Die meisten internationalen Flugrouten liegen auf der Nordhalbkugel der Erde und verbinden die wichtigsten Industrienationen, d.h., Europa, die USA und Japan und erfolgen daher auf transmeridianen Strecken. 2.2 Die Flugzeuggeschwindigkeit Die hohe Geschwindigkeit von Flugzeugen ist eine weitere Ursache für den Jet-Lag. Wenn nicht mehr als 15 bis 22.5 Meridiane pro Tag überschritten werden, kann die resultierende Zeitdifferenz von 60 bis 90 Minuten durch die Anpassungsfähigkeit der menschlichen zirkadianen Rhythmik ausgeglichen werden. Deshalb tritt Jet-lag bei Schiffs-, Bahn- oder Autoreisen nicht auf. Sobald die Reisegeschwindigkeit größer wird, kann die innere Uhr den Zeitunterschied zwischen "alter" und "neuer" Ortszeit nicht mehr ausgleichen und bleibt zurück (bei Westflügen) oder geht vor (bei Ostflügen). Tatsächlich wurden schon bei Untersuchungen an Besatzungen von Jet-Propellerflugzeugen gefunden, dass die innere Uhr bei der Ankunft am Zielort noch auf der Zeit des Abflugsorts stand und die Anpassung an die neue Ortszeit erst mit dem Beginn des ersten Schlafs einsetzte. Durch die Inbetriebnahme von modernen, mit weitaus höheren Geschwindigkeiten fliegenden Flugzeugen werden deshalb die Symptome des Jet-Lag nicht größer werden können. Sie waren früher allerdings nur einer kleinen Gruppe von Fliegern bekannt, nämlich solange nur wenige Menschen transmeridiane Flugreisen unternahmen. Im Zeitalter des Massentourismus hat sich die Situation erheblich verändert, so dass heutzutage viele Millionen Menschen pro Jahr dem Jet-Lag ausgesetzt sind. Um das Problem zwischen hoher Reisegeschwindigkeit und der Tageszeit an einem Beispiel zu verdeutlichen, stelle man sich einen Reisenden vor, der zum Sommerurlaub nach Alaska fliegt. Bei seinem Abflug in Hamburg ist es 14:00 Uhr. Bei der Landung in Anchorage ist es aufgrund der Zeitdifferenz wiederum 14:00 Uhr, obwohl das Flugzeug 10 Stunden geflogen ist. Die innere Uhr steht jetzt auf Mitternacht und "Schlafengehen", obwohl in Anchorage (am Zielort) heller Tag ist. 2.3 Die innere Uhr Die dritte Determinante für Jet-Lag ist die "biologische Zeit", die durch die zirkadiane Rhythmik des Menschen bestimmt wird. Viele periodische Veränderungen in Körperfunktionen werden durch das innere biologische Zeitsystem erzeugt. Als Beispiele seien genannt: Periode Schwankungen im Bereich von Zehntelsekunden (Gehirnströme), von einer Sekunde (Herzschlag), von 90 Minuten (Traumschlaf), von 24 Stunden (Schlaf-Wach-Zyklus), von 28 Tagen (Menstruationszyklus) und von einem Jahr (Frühjahrsmüdigkeit). Sofern die Periodendauer bei 24 Stunden liegt, wird sie zirkadiane Rhythmik genannt. Diese tageszeitlichen Schwankungen treten in vielen Körperfunktionen auf, z. B. der Körpertemperatur, der Hormonsekretion und der Leistungsfähigkeit . Dass diese Funktionen autonom gesteuert werden, ist in vielen Untersuchungen getestet worden, in denen äußere Einflüsse (wie z. B. der Hell-Dunkel-Wechsel) ausgeschaltet wurden. Dabei verlängerte sich die Periodendauer der dann freilaufenden zirkadianen Rhythmen auf etwa 24.5 Stunden. Unter normalen Umweltbedingungen stellen sich die zirkadianen Rhythmen auf die natürliche Tageslänge von 24 Stunden ein. Daraus ist geschlossen worden, dass insbesondere bei Tieren und Pflanzen der Wechsel von Hell und Dunkel das zirkadiane System auf diese 24-Stunden-Periodik synchronisiert. Im Zeitalter der modernen Technik hat beim Menschen dieser Zeitgeber nicht mehr die überragende Bedeutung wie für Fauna und Flora, da z. B. durch künstliches Licht der natürliche, auch jahreszeitlich abhängige Wechsel in der Dauer von Hell- und Dunkelphasen umgangen werden kann. Allerdings sind soziale Kontakte, Arbeits-Ruhe-Zyklen, Essenszeiten und Schlafzeiten üblicherweise recht regelmäßig über den Tag verteilt (außer bei Schichtarbeit) und haben eine zusätzliche 24-Stunden-Zeitgeberfunktion. Das biologische System reguliert die menschliche innere Uhr und koordiniert endogene Vorgänge mit diesen äußeren Zeitgebern. Transmeridiane Flüge sind mit einer plötzlichen Verschiebung dieser synchronisierenden Umweltfaktoren verbunden und erzeugen damit ein zeitliches Ungleichgewicht zwischen der inneren Uhr und dem äußeren natürlichen Zeitsystem. Dieses Ungleichgewicht wird als Desynchronisation zwischen zirkadianer Rhythmik und den natürlichen Zeitgebern bezeichnet. Die zirkadianen Rhythmik ist nicht in der Lage, sich sofort an die neue Ortszeit anzupassen, sondern zeigt eine gewisse Trägheit, die dazu führt, dass mehrere Tage oder sogar Wochen benötigt werden, um eine vollständige Synchronisation wieder herzustellen. Die Unfähigkeit der endogenen Rhythmik, sich sofort nach einer plötzlichen Zeitverschiebung an die neue Ortzeit anzupassen, erzeugt den Jet-Lag. Als eine Konsequenz dieses Ungleichgewichts leidet ein großer Teil von Zeitzonenreisenden unter einer Beeinträchtigung des Wohlbefindens. Diese Beschwerden offenbaren sich als Störungen von vegetativen Funktionen wie zum Beispiel Hungergefühl, Schlaflosigkeit, Schläfrigkeit, erhöhte Ermüdung und verminderte Leistungsfähigkeit und durch gastrointestinale und psychosomatische Probleme. Wegen der Trägheit des zirkadianen Systems, sich an die neue Ortszeit anzupassen, treten die Symptome des Jet-Lags zu ungewöhnlichen und ungünstigen Tageszeiten auf. Dies soll am Beispiel eines transmeridianen Fluges zwischen Frankfurt und San Franzisko dargestellt werden (Hin- und Rückflug); die Zeitdifferenz zwischen Frankfurt und San Franzisko beträgt neun Stunden . Es wird vorausgesetzt, dass vor Antritt des jeweiligen Fluges eine vollständige Anpassung an die Ortszeit erfolgt ist. Der Flug möge um 10:00 Uhr in Frankfurt beginnen. Die Landung erfolgt nach 11 Stunden Flug um 14:00 Uhr lokaler Zeit. Da die innere Uhr aber nach Ankunft am Zielort schon auf 23:00 Uhr steht, fühlt man sich müde und will am liebsten ins Bett gehen, obwohl heller Tag ist und die dort lebenden Menschen voll aktiv sind. Ein Abendessen zu nehmen, bedeutet Überwindung, da die Körperfunktionen auf "Schlaf" stehen. Dagegen ist der ankommende Reisende während der ersten Nächte hungrig und liegt häufig wach im Bett, da sich die innere Uhr schon auf den kommenden Tag einstellt. An den Tagen fühlt man sich müde, unausgeschlafen und ist nicht richtig fit. Für das fliegende Personal ist diese Situation besonders unangenehm, da es häufig nur sehr kurz an den Zielorten bleibt und zu einer für die Leistungsfähigkeit ungünstigen Tageszeit möglicherweise weitere Flüge durchführen muss.
2.1 Das natürliche Zeitsystem
Das natürliche Zeitsystem basiert auf dem regelmäßigen Wechsel von Tag und Nacht. Die Erde dreht sich in 24 Stunden einmal um sich selbst. Da der Globus in 360 Längengrade (Meridiane) unterteilt ist, verschiebt sich das Tageslicht durch diese Rotation von einem Längengrad zum nächsten um 4 Minuten; 15 Längengrade werden in einer Stunde überbrückt . Die Erde ist daher in 24 Zeitzonen unterteilt, von denen jede 15 Längengraden entspricht. In der Wirklichkeit sind die Zeitzonen allerdings nicht strikt nach den Meridianen festgelegt, sondern unterliegen geographischen und nationalen Grenzen. So umfasst zum Beispiel die mitteleuropäische Zeit (MEZ) Länder, die eher in einer Zeitzone früher (Polen) oder in einer Zeitzone später (Spanien) liegen. Auf Flügen in Richtung Osten wird der Tag verkürzt und die Uhr muss um soviele Stunden vorgestellt werden wie Zeitzonen überflogen werden. Umgekehrt ist es bei Flügen in westliche Richtung, wenn der Tag verlängert wird und die Uhr zurückgestellt werden muss. Ostflüge sind mit einer Vorverlagerung der Ortszeit ("advance shift") verbunden, Westflüge dagegen mit einer Verzögerung ("delay shift"). Die meisten internationalen Flugrouten liegen auf der Nordhalbkugel der Erde und verbinden die wichtigsten Industrienationen, d.h., Europa, die USA und Japan und erfolgen daher auf transmeridianen Strecken.
2.2 Die Flugzeuggeschwindigkeit
Die hohe Geschwindigkeit von Flugzeugen ist eine weitere Ursache für den Jet-Lag. Wenn nicht mehr als 15 bis 22.5 Meridiane pro Tag überschritten werden, kann die resultierende Zeitdifferenz von 60 bis 90 Minuten durch die Anpassungsfähigkeit der menschlichen zirkadianen Rhythmik ausgeglichen werden. Deshalb tritt Jet-lag bei Schiffs-, Bahn- oder Autoreisen nicht auf. Sobald die Reisegeschwindigkeit größer wird, kann die innere Uhr den Zeitunterschied zwischen "alter" und "neuer" Ortszeit nicht mehr ausgleichen und bleibt zurück (bei Westflügen) oder geht vor (bei Ostflügen). Tatsächlich wurden schon bei Untersuchungen an Besatzungen von Jet-Propellerflugzeugen gefunden, dass die innere Uhr bei der Ankunft am Zielort noch auf der Zeit des Abflugsorts stand und die Anpassung an die neue Ortszeit erst mit dem Beginn des ersten Schlafs einsetzte. Durch die Inbetriebnahme von modernen, mit weitaus höheren Geschwindigkeiten fliegenden Flugzeugen werden deshalb die Symptome des Jet-Lag nicht größer werden können. Sie waren früher allerdings nur einer kleinen Gruppe von Fliegern bekannt, nämlich solange nur wenige Menschen transmeridiane Flugreisen unternahmen. Im Zeitalter des Massentourismus hat sich die Situation erheblich verändert, so dass heutzutage viele Millionen Menschen pro Jahr dem Jet-Lag ausgesetzt sind. Um das Problem zwischen hoher Reisegeschwindigkeit und der Tageszeit an einem Beispiel zu verdeutlichen, stelle man sich einen Reisenden vor, der zum Sommerurlaub nach Alaska fliegt. Bei seinem Abflug in Hamburg ist es 14:00 Uhr. Bei der Landung in Anchorage ist es aufgrund der Zeitdifferenz wiederum 14:00 Uhr, obwohl das Flugzeug 10 Stunden geflogen ist. Die innere Uhr steht jetzt auf Mitternacht und "Schlafengehen", obwohl in Anchorage (am Zielort) heller Tag ist.
2.3 Die innere Uhr
Die dritte Determinante für Jet-Lag ist die "biologische Zeit", die durch die zirkadiane Rhythmik des Menschen bestimmt wird. Viele periodische Veränderungen in Körperfunktionen werden durch das innere biologische Zeitsystem erzeugt. Als Beispiele seien genannt: Periode Schwankungen im Bereich von Zehntelsekunden (Gehirnströme), von einer Sekunde (Herzschlag), von 90 Minuten (Traumschlaf), von 24 Stunden (Schlaf-Wach-Zyklus), von 28 Tagen (Menstruationszyklus) und von einem Jahr (Frühjahrsmüdigkeit). Sofern die Periodendauer bei 24 Stunden liegt, wird sie zirkadiane Rhythmik genannt. Diese tageszeitlichen Schwankungen treten in vielen Körperfunktionen auf, z. B. der Körpertemperatur, der Hormonsekretion und der Leistungsfähigkeit . Dass diese Funktionen autonom gesteuert werden, ist in vielen Untersuchungen getestet worden, in denen äußere Einflüsse (wie z. B. der Hell-Dunkel-Wechsel) ausgeschaltet wurden. Dabei verlängerte sich die Periodendauer der dann freilaufenden zirkadianen Rhythmen auf etwa 24.5 Stunden. Unter normalen Umweltbedingungen stellen sich die zirkadianen Rhythmen auf die natürliche Tageslänge von 24 Stunden ein. Daraus ist geschlossen worden, dass insbesondere bei Tieren und Pflanzen der Wechsel von Hell und Dunkel das zirkadiane System auf diese 24-Stunden-Periodik synchronisiert. Im Zeitalter der modernen Technik hat beim Menschen dieser Zeitgeber nicht mehr die überragende Bedeutung wie für Fauna und Flora, da z. B. durch künstliches Licht der natürliche, auch jahreszeitlich abhängige Wechsel in der Dauer von Hell- und Dunkelphasen umgangen werden kann. Allerdings sind soziale Kontakte, Arbeits-Ruhe-Zyklen, Essenszeiten und Schlafzeiten üblicherweise recht regelmäßig über den Tag verteilt (außer bei Schichtarbeit) und haben eine zusätzliche 24-Stunden-Zeitgeberfunktion. Das biologische System reguliert die menschliche innere Uhr und koordiniert endogene Vorgänge mit diesen äußeren Zeitgebern. Transmeridiane Flüge sind mit einer plötzlichen Verschiebung dieser synchronisierenden Umweltfaktoren verbunden und erzeugen damit ein zeitliches Ungleichgewicht zwischen der inneren Uhr und dem äußeren natürlichen Zeitsystem. Dieses Ungleichgewicht wird als Desynchronisation zwischen zirkadianer Rhythmik und den natürlichen Zeitgebern bezeichnet. Die zirkadianen Rhythmik ist nicht in der Lage, sich sofort an die neue Ortszeit anzupassen, sondern zeigt eine gewisse Trägheit, die dazu führt, dass mehrere Tage oder sogar Wochen benötigt werden, um eine vollständige Synchronisation wieder herzustellen. Die Unfähigkeit der endogenen Rhythmik, sich sofort nach einer plötzlichen Zeitverschiebung an die neue Ortzeit anzupassen, erzeugt den Jet-Lag.
Als eine Konsequenz dieses Ungleichgewichts leidet ein großer Teil von Zeitzonenreisenden unter einer Beeinträchtigung des Wohlbefindens. Diese Beschwerden offenbaren sich als Störungen von vegetativen Funktionen wie zum Beispiel Hungergefühl, Schlaflosigkeit, Schläfrigkeit, erhöhte Ermüdung und verminderte Leistungsfähigkeit und durch gastrointestinale und psychosomatische Probleme. Wegen der Trägheit des zirkadianen Systems, sich an die neue Ortszeit anzupassen, treten die Symptome des Jet-Lags zu ungewöhnlichen und ungünstigen Tageszeiten auf. Dies soll am Beispiel eines transmeridianen Fluges zwischen Frankfurt und San Franzisko dargestellt werden (Hin- und Rückflug); die Zeitdifferenz zwischen Frankfurt und San Franzisko beträgt neun Stunden . Es wird vorausgesetzt, dass vor Antritt des jeweiligen Fluges eine vollständige Anpassung an die Ortszeit erfolgt ist. Der Flug möge um 10:00 Uhr in Frankfurt beginnen. Die Landung erfolgt nach 11 Stunden Flug um 14:00 Uhr lokaler Zeit. Da die innere Uhr aber nach Ankunft am Zielort schon auf 23:00 Uhr steht, fühlt man sich müde und will am liebsten ins Bett gehen, obwohl heller Tag ist und die dort lebenden Menschen voll aktiv sind. Ein Abendessen zu nehmen, bedeutet Überwindung, da die Körperfunktionen auf "Schlaf" stehen. Dagegen ist der ankommende Reisende während der ersten Nächte hungrig und liegt häufig wach im Bett, da sich die innere Uhr schon auf den kommenden Tag einstellt. An den Tagen fühlt man sich müde, unausgeschlafen und ist nicht richtig fit. Für das fliegende Personal ist diese Situation besonders unangenehm, da es häufig nur sehr kurz an den Zielorten bleibt und zu einer für die Leistungsfähigkeit ungünstigen Tageszeit möglicherweise weitere Flüge durchführen muss.
3. Desynchronisation und Resynchronisation
Die Symptome des Jet-Lags sind individuell unterschiedlich ausgeprägt und ihre Stärke und Dauer hängen zudem von der Flugrichtung (ost- oder westwärts) und der Anzahl der überflogenen Zeitzonen ab.
3.1 Interindividuelle Unterschiede Erhebliche Unterschiede in der Anpassung der zirkadianen Rhythmik werden zwischen einzelnen Individuen beobachtet. Die interindividuelle Streubreite reicht von sogenannten "Schnellanpassern", deren zirkadiane Rhythmik sich in wenigen Tagen vollzieht, bis hin zu den "Langsamanpassern", bei denen die Resynchronisation zwei Wochen oder sogar mehr benötigt. Als Faktoren, die die Resynchronisationsgeschwindigkeit beeinflussen, wurden folgende Merkmale festgestellt: Eine schnellere Anpassung wird bei Abendtypen, jüngere Menschen und Menschen, deren zirkadianen Rhythmen eher labil, d.h., bei denen die zirkadianen Amplituden eher niedrig sind, beobachtet. Dagegen haben Morgentypen, ältere Menschen und die, die stabile zirkadianen Rhythmen mit hohen Amplituden aufweisen, mehr Probleme bei der Anpassung nach Zeitzonenflügen. Betrachtet man die individuelle Reaktionen der Verläufe der Körpertemperatur über mehrere Tage nach einer plötzlichen Zeitverschiebung, so stellt man fest, dass an den Tagen vor der Zeitverschiebung die Kurven einen recht geordneten Zustand der zirkadianen Temperaturrhythmik beschreiben, deren Tagesmaximum (Acrophase) bei 15:00 Uhr bis 17:00 Uhr und das Minimum zwischen 3:00 Uhr und 5:00 Uhr liegt. Diese Regelmäßigkeit bricht infolge der Desynchronisation, die durch die Zeitverschiebung verursacht wird, zusammen und tritt erst nach mehreren Tagen wieder auf, wobei einige Probanden längere Zeit benötigten als andere. In dieser Untersuchung dauerte die Anpassung der Temperaturrhythmik an die neue Ortszeit zwischen vier und sieben Tagen. Diese Länge ist ein Maß für die Dauer des Jet-Lags, wobei die Symptomatik am Anfang der Resynchronisation stärker ausgeprägt ist und mit zunehmender Aufenthaltsdauer nachlässt. Nicht nur die Acrophasen werden durch eine Zeitverschiebung beeinflusst, sondern auch die Tagesamplituden, die ein Maß für die Periodizität sind und aus der Differenz zwischen Tagesmaximum und Nachtminimum berechnet werden. An den Tagen nach der Zeitverschiebung sind die Amplituden um 30% bis 35% vermindert und resynchronisieren erst danach an die Basiswerte. Aus der Verkleinerung der Amplituden kann auf die Stärke des Jet-Lags geschlossen werden. Je stärker die Amplitude verringert ist, desto schneller erfolgt die Anpassung an die neue Ortszeit. Eine niedrige Amplitude ist allerdings mit einem größeren Jet-Lag verbunden. 3.2 Asymetrische Resynchronisation Die Resynchronisation nach Westflügen verläuft über eine Verlängerung der zirkadianen Periodik. Sofern der Vorgang der Resynchronisation symmetrisch verliefe, kann nach Ostflügen eine entsprechende Verkürzung der Periodenlänge erwartet werden. Das ist üblicherweise für Zeitverschiebungen bis zu 6 Stunden auch der Fall. Gehen transmeridiane Flüge darüber hinaus, wurde jedoch auch eine Verlängerung beobachtet. Anstelle einer Verkürzung um z.B. 9 Stunden kann also eine Verlängerung um 15 Stunden eintreten ("anti-dromic effect"). In einer weiteren Untersuchung wurde gefunden, dass nach einer Zeitverschiebung von 9 Stunden nach Osten bei zwei Probanden die Resynchronisation der Temperaturrhythmik über eine Verkürzung der Periodendauer erfolgte und schon innerhalb von drei Tagen abgeschlossen war . Dagegen passte sich die Rhythmik der anderen sechs Probanden über eine Verlängerung der Periode an. Dieser Effekt hat zur Folge, dassdie Resynchronisation länger als bei einer Verkürzung dauert (in der Untersuchung waren zehn Tage dazu nötig) und dass damit der Jet-Lag nicht so schnell überwunden werden kann. Die Ursache dieser Asymmetrie in der Resynchronisation kann mit dem Verhalten der inneren Uhr erklärt werden, die eine Periodenlänge von etwas mehr als 24 Stunden hat und sich damit einer Verlängerung des Tages leichter anpassen kann als einer Verkürzung. 3.3 Interne Dissoziation Der Verlauf der Resynchronisation wurde anhand der Körpertemperatur demonstriert. Andere Körperfunktionen können anders auf eine plötzliche Änderung der Uhrzeit reagieren. Die Anpassung der zirkadianen Rhythmik von verschiedenen Hormonen oder Elektrolyten kann entweder schneller oder langsamer erfolgen. Während sich die Rhythmik von Natrium- und Adrenalinausscheidung recht schnell umstellt (3 bis 6 Tage), dauert die Anpassung von Kortisol- und Kaliumausscheidung erheblich länger, nämlich 8 Tage oder sogar noch länger. Diese unterschiedliche Reaktion auf eine Veränderung der Zeitgeber wird interne Dissoziation genannt. Auch dieser Vorgang trägt zum Jet-Lag bei, da die normale zeitliche Relation zwischen den verschiedenen Rhythmen gestört ist. Bei kritischen Zeitverschiebungen (zwischen 7 und 11 Stunden nach Osten) kann zusätzlich eine für verschiedene Rhythmen unterschiedliche Anpassung erfolgen ("resynchronisation by partition"). Das bedeutet, das in einer Person ein Teil der Körperfunktionen über eine Verkürzung resynchronisiert, ein anderer Teil dagegen über eine Verlängerung. Von den beiden zuletzt beschrieben Phänomenen und interindividuellen Unterschieden abgesehen, kann eine Faustformel für die mittlere Anpassungsgeschwindigkeit und damit für die Dauer des Jet-Lag angegeben werden, sofern keine speziellen Maßnahmen ergriffen werden, um die Dauer abzukürzen . Als Grundlage dafür ist der Resynchronisationsverlauf der Körpertemperatur gewählt worden. Danach verläuft die Adaptation nach einem transmeridianen Flug exponentiell, und die verbleibende Desynchronisation wird alle zwei Tage halbiert. 3.4 Schlaf- und Schlafstörung Die am meisten bekannten physiologischen Symptome nach transmeridianen Flügen sind nicht die Effekte der Desynchronisation der zirkadianen Rhythmik, sondern die Störungen des Schlafs. Denn unter diesen glauben die meisten Menschen zu leiden, während wegen der mangelnden Kenntnis über die Vorgänge der zirkadianen Rhythmik diese als Verursacher nicht erkannt wird. Übliche Schlafbeschwerden, die durch Untersuchungen an Probanden und Piloten bestätigt wurden, sind Einschlafschwierigkeiten, wiederholtes spontanes Aufwachen während der Nacht und ein Schlafdefizit durch frühes Aufwachen am Morgen. Um diese vorübergehenden Schlafstörungen objektiv zu erfassen, wurden in den vergangenen Jahren viele Untersuchungen in der Flugmedizin mit Hilfe der Polysomnografie bei Passagieren und Piloten während ihrer Umläufe auf transmeridianen Strecken durchgeführt. Die Technik zur Erfassung und Beurteilung des Schlafs durch Messungen des Elektroenzephalogramms (EEG) ist seit ca. 30 Jahren standardisiert. Danach kann das Schlaf-EEG grundsätzlich in vier Stadien orthodoxen Schlaf (Stadium 1 bis 4) und ein Stadium paradoxen Schlafs oder REM-Schlafs ("Rapid Eye Movement") unterteilt werden . Studium 1 und 2 wird hauptsächlich durch schnelle Gehirnstromwellen (12 - 14 Hz) charakterisiert und treten vor allem während der Einschlafphase und am Ende des Schlafs auf. Sie geben die Phasen eines leichten Schlafs wieder. In den Stadien 3 und 4 herrschen niedrige Frequenzen vor (2 - 4 Hz). Sie werden in den Tiefschlafphasen beobachtet. Im Wachzustand sind alle Frequenzen vorhanden (1 - 30 Hz), bei geschlossenen Augen dominieren Frequenzen im Bereich von 8 bis 12 Hz. Während eines normalen Schlafs sind die Übergänge zwischen den einzelnen Schlafstadien recht regelmäßig und haben ein Muster, das sich ca. alle 90 Minuten wiederholt. Nach einer relativ kurzen Dauer von ca. jeweils 10 Minuten in den Stadien 1 und 2 folgt die Tiefschlafphase mit einer Dauer von 5 bis 10 Minuten im Stadium 3 und 10 bis 60 Minuten Dauer im Stadium 4. Danach folgt eine REM-Phase von bis zu 40 Minuten Dauer. Am Anfang des normalen Schlafs ist in einem (ultradianen) Zyklus von 90 Minuten der Anteil des Tiefschlafs recht hoch, dagegen der REM-Schlafanteil recht niedrig. Im weiteren Verlauf nimmt innerhalb eines 90-min-Zyklus´ der Tiefschlaf ab und der REM-Schlaf zu. In jungen Erwachsenen ist der Anteil des Tiefschlafs am Gesamtschlaf ca. 20%. Mit zunehmendem Alter verringert sich dieser Anteil, so dass ältere Menschen kaum Stadium-4-Schlaf haben. Gleichzeitig wächst mit zunehmenden Alter die Anzahl und die Dauer von Wachphasen im Schlaf. Die Abfolge der Schlafstadien ändert sich nach transmeridianen Flügen. Die Unterschiede sind nach Ostflügen stärker ausgeprägt als nach Westflügen. Nach Westflügen kommt es zu Durchschlafproblemen, die sich durch vermehrtes Aufwachen in der zweiten Nachthälfte manifestieren. Wegen der durch die Zeitverschiebung verursachten Verzögerung des Schlafs um mehrere Stunden (sofern man nicht direkt nach Ankunft ins Bett geht, sondern erst die Nacht abwartet) kommt es zu einem gewissen Schlafentzug, der das Einschlafen erleichtert. Dadurch werden die Stadien 1 und 2 schnell durchlaufen und der Tiefschlaf setzt eher ein und kann länger dauern. Die Schlafstruktur ändert sich auch dadurch, dass lange REM-Phasen früher im Schlaf auftreten . In der zweiten Schlafhälfte kommt es zu höheren Anteilen von Leichtschlafphasen und zu vermehrten Wachphasen. Die Ursache dafür liegt in der zirkadianen Rhythmik, die noch nicht an die neue Ortszeit angepasst ist und daher die Körperfunktionen für den vermeintlichen Tag aktiviert. Innerhalb von mehreren Tagen normalisiert sich der Schlaf und die ultradiane Schlafstruktur, wobei die Dauer der Anpassung wiederum von der Zeitdifferenz abhängt. So beträgt die Dauer nach einem Westflug über 6 Zeitzonen 2 bis 4 Tage, bei 12 Zeitzonen 4 bis 6 Tage. Dagegen ist der Schlaf nach einem Ostflug häufig stark verändert. Während in der ersten Nacht infolge von Schlafentzug nur geringe Schlafprobleme auftreten (das wird durch den Ostflug verursacht, der üblicherweise nachts stattfindet, und bei dem es meistens nicht möglich ist, normalen Schlaf zu finden), ist der Schlaf in den darauffolgenden Nächten erheblich gestört. Dies äußert sich durch Einschlafschwierigkeiten, durch Schlaffrakmentation und durch unübliche lange Traumphasen in der ersten Schlafhälfte. Die Ursachen liegen wiederum an der nicht angepassten inneren Uhr, die noch auf Wachbleiben und Aktivsein steht, obwohl am Zielort die Nacht hereinbricht.
3.1 Interindividuelle Unterschiede
Erhebliche Unterschiede in der Anpassung der zirkadianen Rhythmik werden zwischen einzelnen Individuen beobachtet. Die interindividuelle Streubreite reicht von sogenannten "Schnellanpassern", deren zirkadiane Rhythmik sich in wenigen Tagen vollzieht, bis hin zu den "Langsamanpassern", bei denen die Resynchronisation zwei Wochen oder sogar mehr benötigt. Als Faktoren, die die Resynchronisationsgeschwindigkeit beeinflussen, wurden folgende Merkmale festgestellt: Eine schnellere Anpassung wird bei Abendtypen, jüngere Menschen und Menschen, deren zirkadianen Rhythmen eher labil, d.h., bei denen die zirkadianen Amplituden eher niedrig sind, beobachtet. Dagegen haben Morgentypen, ältere Menschen und die, die stabile zirkadianen Rhythmen mit hohen Amplituden aufweisen, mehr Probleme bei der Anpassung nach Zeitzonenflügen.
Betrachtet man die individuelle Reaktionen der Verläufe der Körpertemperatur über mehrere Tage nach einer plötzlichen Zeitverschiebung, so stellt man fest, dass an den Tagen vor der Zeitverschiebung die Kurven einen recht geordneten Zustand der zirkadianen Temperaturrhythmik beschreiben, deren Tagesmaximum (Acrophase) bei 15:00 Uhr bis 17:00 Uhr und das Minimum zwischen 3:00 Uhr und 5:00 Uhr liegt. Diese Regelmäßigkeit bricht infolge der Desynchronisation, die durch die Zeitverschiebung verursacht wird, zusammen und tritt erst nach mehreren Tagen wieder auf, wobei einige Probanden längere Zeit benötigten als andere. In dieser Untersuchung dauerte die Anpassung der Temperaturrhythmik an die neue Ortszeit zwischen vier und sieben Tagen. Diese Länge ist ein Maß für die Dauer des Jet-Lags, wobei die Symptomatik am Anfang der Resynchronisation stärker ausgeprägt ist und mit zunehmender Aufenthaltsdauer nachlässt. Nicht nur die Acrophasen werden durch eine Zeitverschiebung beeinflusst, sondern auch die Tagesamplituden, die ein Maß für die Periodizität sind und aus der Differenz zwischen Tagesmaximum und Nachtminimum berechnet werden. An den Tagen nach der Zeitverschiebung sind die Amplituden um 30% bis 35% vermindert und resynchronisieren erst danach an die Basiswerte. Aus der Verkleinerung der Amplituden kann auf die Stärke des Jet-Lags geschlossen werden. Je stärker die Amplitude verringert ist, desto schneller erfolgt die Anpassung an die neue Ortszeit. Eine niedrige Amplitude ist allerdings mit einem größeren Jet-Lag verbunden.
3.2 Asymetrische Resynchronisation
Die Resynchronisation nach Westflügen verläuft über eine Verlängerung der zirkadianen Periodik. Sofern der Vorgang der Resynchronisation symmetrisch verliefe, kann nach Ostflügen eine entsprechende Verkürzung der Periodenlänge erwartet werden. Das ist üblicherweise für Zeitverschiebungen bis zu 6 Stunden auch der Fall. Gehen transmeridiane Flüge darüber hinaus, wurde jedoch auch eine Verlängerung beobachtet. Anstelle einer Verkürzung um z.B. 9 Stunden kann also eine Verlängerung um 15 Stunden eintreten ("anti-dromic effect"). In einer weiteren Untersuchung wurde gefunden, dass nach einer Zeitverschiebung von 9 Stunden nach Osten bei zwei Probanden die Resynchronisation der Temperaturrhythmik über eine Verkürzung der Periodendauer erfolgte und schon innerhalb von drei Tagen abgeschlossen war . Dagegen passte sich die Rhythmik der anderen sechs Probanden über eine Verlängerung der Periode an. Dieser Effekt hat zur Folge, dassdie Resynchronisation länger als bei einer Verkürzung dauert (in der Untersuchung waren zehn Tage dazu nötig) und dass damit der Jet-Lag nicht so schnell überwunden werden kann. Die Ursache dieser Asymmetrie in der Resynchronisation kann mit dem Verhalten der inneren Uhr erklärt werden, die eine Periodenlänge von etwas mehr als 24 Stunden hat und sich damit einer Verlängerung des Tages leichter anpassen kann als einer Verkürzung.
3.3 Interne Dissoziation
Der Verlauf der Resynchronisation wurde anhand der Körpertemperatur demonstriert. Andere Körperfunktionen können anders auf eine plötzliche Änderung der Uhrzeit reagieren. Die Anpassung der zirkadianen Rhythmik von verschiedenen Hormonen oder Elektrolyten kann entweder schneller oder langsamer erfolgen. Während sich die Rhythmik von Natrium- und Adrenalinausscheidung recht schnell umstellt (3 bis 6 Tage), dauert die Anpassung von Kortisol- und Kaliumausscheidung erheblich länger, nämlich 8 Tage oder sogar noch länger. Diese unterschiedliche Reaktion auf eine Veränderung der Zeitgeber wird interne Dissoziation genannt. Auch dieser Vorgang trägt zum Jet-Lag bei, da die normale zeitliche Relation zwischen den verschiedenen Rhythmen gestört ist.
Bei kritischen Zeitverschiebungen (zwischen 7 und 11 Stunden nach Osten) kann zusätzlich eine für verschiedene Rhythmen unterschiedliche Anpassung erfolgen ("resynchronisation by partition"). Das bedeutet, das in einer Person ein Teil der Körperfunktionen über eine Verkürzung resynchronisiert, ein anderer Teil dagegen über eine Verlängerung. Von den beiden zuletzt beschrieben Phänomenen und interindividuellen Unterschieden abgesehen, kann eine Faustformel für die mittlere Anpassungsgeschwindigkeit und damit für die Dauer des Jet-Lag angegeben werden, sofern keine speziellen Maßnahmen ergriffen werden, um die Dauer abzukürzen . Als Grundlage dafür ist der Resynchronisationsverlauf der Körpertemperatur gewählt worden. Danach verläuft die Adaptation nach einem transmeridianen Flug exponentiell, und die verbleibende Desynchronisation wird alle zwei Tage halbiert.
3.4 Schlaf- und Schlafstörung
Die am meisten bekannten physiologischen Symptome nach transmeridianen Flügen sind nicht die Effekte der Desynchronisation der zirkadianen Rhythmik, sondern die Störungen des Schlafs. Denn unter diesen glauben die meisten Menschen zu leiden, während wegen der mangelnden Kenntnis über die Vorgänge der zirkadianen Rhythmik diese als Verursacher nicht erkannt wird. Übliche Schlafbeschwerden, die durch Untersuchungen an Probanden und Piloten bestätigt wurden, sind Einschlafschwierigkeiten, wiederholtes spontanes Aufwachen während der Nacht und ein Schlafdefizit durch frühes Aufwachen am Morgen.
Um diese vorübergehenden Schlafstörungen objektiv zu erfassen, wurden in den vergangenen Jahren viele Untersuchungen in der Flugmedizin mit Hilfe der Polysomnografie bei Passagieren und Piloten während ihrer Umläufe auf transmeridianen Strecken durchgeführt.
Die Technik zur Erfassung und Beurteilung des Schlafs durch Messungen des Elektroenzephalogramms (EEG) ist seit ca. 30 Jahren standardisiert. Danach kann das Schlaf-EEG grundsätzlich in vier Stadien orthodoxen Schlaf (Stadium 1 bis 4) und ein Stadium paradoxen Schlafs oder REM-Schlafs ("Rapid Eye Movement") unterteilt werden . Studium 1 und 2 wird hauptsächlich durch schnelle Gehirnstromwellen (12 - 14 Hz) charakterisiert und treten vor allem während der Einschlafphase und am Ende des Schlafs auf. Sie geben die Phasen eines leichten Schlafs wieder. In den Stadien 3 und 4 herrschen niedrige Frequenzen vor (2 - 4 Hz). Sie werden in den Tiefschlafphasen beobachtet. Im Wachzustand sind alle Frequenzen vorhanden (1 - 30 Hz), bei geschlossenen Augen dominieren Frequenzen im Bereich von 8 bis 12 Hz. Während eines normalen Schlafs sind die Übergänge zwischen den einzelnen Schlafstadien recht regelmäßig und haben ein Muster, das sich ca. alle 90 Minuten wiederholt. Nach einer relativ kurzen Dauer von ca. jeweils 10 Minuten in den Stadien 1 und 2 folgt die Tiefschlafphase mit einer Dauer von 5 bis 10 Minuten im Stadium 3 und 10 bis 60 Minuten Dauer im Stadium 4. Danach folgt eine REM-Phase von bis zu 40 Minuten Dauer. Am Anfang des normalen Schlafs ist in einem (ultradianen) Zyklus von 90 Minuten der Anteil des Tiefschlafs recht hoch, dagegen der REM-Schlafanteil recht niedrig. Im weiteren Verlauf nimmt innerhalb eines 90-min-Zyklus´ der Tiefschlaf ab und der REM-Schlaf zu. In jungen Erwachsenen ist der Anteil des Tiefschlafs am Gesamtschlaf ca. 20%. Mit zunehmendem Alter verringert sich dieser Anteil, so dass ältere Menschen kaum Stadium-4-Schlaf haben. Gleichzeitig wächst mit zunehmenden Alter die Anzahl und die Dauer von Wachphasen im Schlaf.
Die Abfolge der Schlafstadien ändert sich nach transmeridianen Flügen. Die Unterschiede sind nach Ostflügen stärker ausgeprägt als nach Westflügen. Nach Westflügen kommt es zu Durchschlafproblemen, die sich durch vermehrtes Aufwachen in der zweiten Nachthälfte manifestieren. Wegen der durch die Zeitverschiebung verursachten Verzögerung des Schlafs um mehrere Stunden (sofern man nicht direkt nach Ankunft ins Bett geht, sondern erst die Nacht abwartet) kommt es zu einem gewissen Schlafentzug, der das Einschlafen erleichtert. Dadurch werden die Stadien 1 und 2 schnell durchlaufen und der Tiefschlaf setzt eher ein und kann länger dauern. Die Schlafstruktur ändert sich auch dadurch, dass lange REM-Phasen früher im Schlaf auftreten . In der zweiten Schlafhälfte kommt es zu höheren Anteilen von Leichtschlafphasen und zu vermehrten Wachphasen. Die Ursache dafür liegt in der zirkadianen Rhythmik, die noch nicht an die neue Ortszeit angepasst ist und daher die Körperfunktionen für den vermeintlichen Tag aktiviert. Innerhalb von mehreren Tagen normalisiert sich der Schlaf und die ultradiane Schlafstruktur, wobei die Dauer der Anpassung wiederum von der Zeitdifferenz abhängt. So beträgt die Dauer nach einem Westflug über 6 Zeitzonen 2 bis 4 Tage, bei 12 Zeitzonen 4 bis 6 Tage.
Dagegen ist der Schlaf nach einem Ostflug häufig stark verändert. Während in der ersten Nacht infolge von Schlafentzug nur geringe Schlafprobleme auftreten (das wird durch den Ostflug verursacht, der üblicherweise nachts stattfindet, und bei dem es meistens nicht möglich ist, normalen Schlaf zu finden), ist der Schlaf in den darauffolgenden Nächten erheblich gestört. Dies äußert sich durch Einschlafschwierigkeiten, durch Schlaffrakmentation und durch unübliche lange Traumphasen in der ersten Schlafhälfte. Die Ursachen liegen wiederum an der nicht angepassten inneren Uhr, die noch auf Wachbleiben und Aktivsein steht, obwohl am Zielort die Nacht hereinbricht.
4. Ermüdung und Leistungsfähigkeit
Störungen des zirkadianen Systems und des Schlafs haben Rückwirkungen auf die Tagesmüdigkeit und die Leistungsfähigkeit. Für Flugbesatzungsmitglieder, die auf Langstreckenflügen eingesetzt werden, hat das zur Folge, dass sie nicht immer optimal ausgeruht ihren Dienst beginnen können und daher im Verlauf eines Fluges Phasen erhöhter Müdigkeit bzw. verminderter Aufmerksamkeit eintreten. Untersuchungen auf mehreren transmeridianen Strecken haben gezeigt, dass Schlafentzug und gestörte Rhythmik zu kritischen Bewertungen der Ermüdung und zum Auftreten von Mikroschlaf führen können. Die Ermüdung wurde durch Fragebogen erfasst und der Mikroschlaf aus der kontinuierlichen Messung des Wach-EEGs während der Flüge ermittelt. Bei Umläufen zwischen Düsseldorf (DUS) und Atlanta (ATL) wurden 12 Piloten im 2-Mann-Cockpit untersucht. Während auf dem Hinflug DUS-ATL, der ein Tagflug war und ca. 11 Stunden Flugdienstzeit umfasste, keine kritischen Befunde entdeckt wurden, war auf dem Rückflug ATL-DUS ein Teil der Piloten so müde, dass ihre Ermüdung als kritisch in Hinsicht auf die Leistungsfähigkeit bezeichnet wurde . Die Ursachen dafür lagen in der gestörten zirkadianen Rhythmik (die Zeitdifferenz zwischen DUS und ATL betrug 6 Stunden) und in der Abflugzeit (Mitternacht) in Atlanta, die ausreichenden Schlaf vor dem Rückflug nicht ermöglichte.
Aus den Ergebnissen dieser und noch weitere Untersuchungen an Piloten (auf anderen transmeridianen und Nord-Süd-Routen) kann geschlossen werden, dass die wesentlichen Belastungen auf Langstreckenflügen durch die Unregelmäßigkeit der Einsätze zustande kommt. Die Hauptbelastungsfaktoren sind dabei (1) der Nachtdienst, weil die Leistungsfähigkeit in der Nacht durch den Verlauf der zirkadianen Rhythmik und durch Schlafentzug gemindert ist, (2) der Jet-Lag, der eine ausreichende Erholung vor Dienstantritt nicht immer zulässt, (3) eine lange Flugdienstzeit, bei der es zudem der 2-Mann-Crew nicht möglich ist, Pausen zur Erholung einzulegen.
5. Zusammenfassung
Zusammenfassend lassen sich einige typische Veränderungen als Folge der Desynchronisation nach Zeitzonenflügen feststellen: