Alle levende soorten leven onder een 24-uur licht-donkerritme veroorzaakt door de draaiing van de aarde om haar eigen as in precies 24 uur. Zo’n ritme wordt een circadiaans ritme genoemd, naar de Latijnse uitdrukking ‘circa diem’: (rond)om de dag.  

Sommige medische ingrepen hebben een grotere kans van slagen als ze op een specifiek tijdstip worden uitgevoerd. Het tijdstip van inname van medicatie kan het positieve effect verbeteren. Brandwonden die overdag ontstaan, genezen zo’n 60% sneller dan die 's nachts ontstaan.

Ontdekking lichtgevoelige biologische klok
Al in 1729 constateerde de Fransman de Mairan dat het openen en sluiten van de bladeren van de mimosaplant (kruidje-roer-me-niet) in constante duisternis een ritmisch gedrag vertonen: het eerste bewijs voor een intern klokmechanisme dat het circadiaanse ritme genereert. Iets na 1800 toonde de Zwitserse botanicus De Candolle aan dat de ritmische mimosabladbewegingen onder constante verlichting een ritme vertonen dat één tot twee uur korter is dan onder de natuurlijke licht-donkerperiode van 24 uur. Dit is het eerste bewijs dat het natuurlijke 24 uurs licht-donkerritme het interne klokmechanisme synchroniseert: ‘de klok gelijkzet’. Zonnebloemen draaien dankzij een intern klokmechanisme overdag met de zon mee van oost naar west en draaien 's nachts terug naar het oosten om dezelfde draaicyclus bij zonsopgang te hervatten. In 1972 toonden onderzoekers van de universiteiten van Chicago en California aan dat wij mensen een klokmechanisme in onze hersenen hebben.

Eerste chronobioloog
Tussen 1964 en 1989 voert de pionier op het gebied van de chronobiologie, Jürgen Aschoff van het Max Planck Instituut in Duitsland, circadiaanse experimenten met mensen uit. In totaal namen ongeveer 200 proefpersonen hieraan deel. Aschoff gebruikte voor zijn experimenten een licht- en geluidsdichte ondergrondse bunker bij München, waar elke proefpersoon tot vier weken in volledige isolatie leefde in een woon-slaapkamer met douche en keuken. Communicatie met de buitenwereld ging alleen via brieven. De proefpersoon, vaak een student die studeerde voor een examen, maakte zijn eigen maaltijden en ging slapen als hij of zij dacht dat het bedtijd was. Onder andere de lichaamstemperatuur en het slaappatroon werden gemeten met sensoren. Het dagritme van de meeste proefpersonen verschoof geleidelijk ten opzichte van het 24-uurs ritme. Het ritme zonder externe signalen uit de omgeving wordt het ‘vrijlopende biologische ritme’ genoemd. In de tabel hieronder is links een niet verschoven slaap-waakritme van zeven opeenvolgende dagen te zien. Rechts laat, voor de vrijlopende situatie, de geleidelijke verschuiving zien naar een later tijdstip. Na een verblijf van 20 dagen dachten veel proefpersonen dat ze pas 19 dagen in de bunker zaten. Een van de testpersonen vroeg: “Is er iets ernstigs gebeurd, want ik zou volgens plan pas morgen worden vrijgelaten.” Het gemiddelde vrijlopende biologische ritme van alle proefpersonen gedurende de 15-jarige onderzoeksperiode was bijna 24,5 uur met individuele variaties van iets minder dan 23,5 uur (bij ochtendtype mensen) tot iets meer dan 25 uur (bij avondtype mensen). In maart/april van dit jaar brachten 15 Fransen 40 dagen door in een grot op 100 m diepte in de Franse Pyreneeën, onder Spartaanse omstandigheden (10 °C en 100 % luchtvochtigheid). Het individuele slaap-waak-patroon werd alleen bepaald door de biologische klok en de af en door interacties met elkaar. Extreme vrijloopritmes tot wel 30 uur kwamen voor. Deze resultaten zijn veel extremer dan de resultaten van onderzoeken zonder intermenselijke interacties en niet-Spartaanse omstandigheden.

Door licht gesynchroniseerde biologische klok
Omdat het vrijloopritme van de biologische klok bij bijna iedereen anders is dan het 24-uursritme moeten externe signalen onze biologische klok met het 24-uursritme synchroniseren.  Hieronder is een 24-uurs en 25-uurs circadiaans ritme te zien van het hormoon melatonine in het menselijk lichaam, een hormoon dat ons slaperig maakt. Bij een gesynchroniseerd 24-uursritme wordt de top van het melatonineniveau bereikt in het midden van elke nacht. Iemand die een niet-gesynchroniseerd vrijloopritme van 25 uur heeft, bereikt de top van het melatonineniveau op de derde nacht pas om 6 uur ‘s morgens: dat is niet gunstig voor een goede nachtelijke slaapkwaliteit. Alle andere lichaamseigenschappen die een circadiaans ritme volgen, gaan ook uit de pas lopen en soms geeft dat ernstige negatieve effecten voor de gezondheid. Door het melatonineniveau te meten, via speekselafname met een wattenstaafje, kan het circadiaanse ritme van een testpersoon eenvoudig worden gemeten. Daar zijn geen bunkers meer voor nodig.

Eten, bewegen, en trainen op vaste tijden, dat kan fungeren als synchronisatiesignalen, maar verreweg het belangrijkste synchronisatiesignaal is het natuurlijke ochtendlicht dat in een ritme van 24 uur elke dag terugkeert. Aschoff noemde dat ochtendlicht de ‘Zeitgeber’ voor de biologische klok. Deze Zeitgeber werkt alleen goed als het in contrast daarmee ‘s nachts echt donker is. Onder omstandigheden waar het natuurlijke ochtendlicht niet kan worden ‘genoten’, zoals bijvoorbeeld in de wintermaanden, waarin we op onze werkplek of in de schoolklas zitten als het nog donker is, zal de elektrische verlichting als Zeitgeber moeten dienen.