Väčšina biologických dejov, vrátane správania, vykazuje pravidelné rytmy, ktorých perióda siaha od milisekúnd v aktivite nervového systému, cez cirkadiánne (perióda približne 24 hodín), až po sezónne zmeny s periódou jedného roka. Okrem dĺžky periódy je pre rytmy dôležitý ich pôvod, pretože endogénne rytmy vyplývajú z endogénnych procesov v organizme a exogénne rytmy sú odrazom rytmických zmien prostredia. Pre prežitie majú kľúčový význam endogénne oscilácie, pretože poskytujú organizmu určitý referenčný štandard a slúžia ako biologické hodiny. Platí to predovšetkým pre cirkadiánne rytmy, ktoré sa v súčasnosti rozsiahlo študujú z molekulárnych, ale aj behaviorálnych aspektov. Cirkadiánne rytmy sú charakteristickým rysom varaibility biochemických, fyziologických a behaviorálnych premenných. Ich narušenie je sprevádzané zníženou výkonnosťou, zníženým pocitom welferu a vrcholí patologickými stavmi ako sú depresie a sezónnou ovplyvňované choroby. Vekom biologické hodiny strácajú svoju citlivosť a presnosť, čo vedie k chronickým a charakteristickým poruchám spánku.
Cirkadiánne rytmy predstavujú univerzálny adaptačný fenomén spoločný pre všetky úrovne organizácie živej hmoty, od expresie génov až po komplikované regulácie na úrovni populačnej biológie. Tieto endogénne biologické rytmy sa vyvinuli ako adaptácia na cyklické zmeny prostredia indukované otáčaním Zeme okolo svojej osi. Jednoznačne sa dokázala ich významnosť pri riadení životných funkcií nielen u eukaryontov, vrátane človeka, ale aj u prokaryontov. Prirodzený výber prísne preferuje cirkadiánnu organizáciu, čo ilustruje aj skutočnosť, že v prírode neexistujú mutácie cirkadiánnych rytmov, hoci takéto mutácie je možné ľahko indukovať v experimentálnych podmienkach. Tieto mutácie, ako si neskôr ukážeme, sa ukázali byť extrémne dôležité pri chápani podstaty biologických hodín.
Ďalšou kategóriou biologických rytmov sú sezónne rytmy (napríklad v reprodukčnej aktivite a správaní, migrácii, jesennej hyperfágia a pod.), ktoré sú jasne determinované prostredím a ich podmienenosť endogénnymi cirkaanuálnymi rytmami je predmetom diskusie. Jednoznačne je však dokázaná účasť cirkadiánnych rytmov v meraní času a tým aj úzka prepojenosť medzi cirkadiánymi a sezónnymi rytmami. Týmto spôsobom biologické rytmy umožňujú predikciu zmien podmienok prostredia a umožňujú organizmom pripraviť sa v predstihu na nepriaznive obdobie, čo má rozhodujúci význam pre prežitie jedincov a druhov v rytmicky sa meniacich podmienkach prostredia, ktroré sú typické pre stredné a vysoké zemepisné pásma.
Napriek tomu, že výskumu biologických rytmov sa venuje v posledných troch desaťročiach relatívne veľká pozornosť, molekulárne mechanizmy generovania cirkadiánnych rytmov na úrovni oscilátora sa začínajú chápať až v súčasnosti. Molekulárno-biologické výskumy u drozofily a huby Nerospora priniesli prekvapujúco homologické výsledky a ukázali, že molekulárnou podstatou rytmov je cyklická transkripcia a translácia tzv. hodinových génov. Koordinovaná transkripcia týchto hodinových génov - per (period) u drozofily a frq (frequency) u Neurospory vedie k akumulácii proteínu, ktorý po prechode do jadra blokuje transkripciu vlastných génov. U drozofily je samotný PER proteín neúčinný a musí konjugovať s ďalším hodinovým génom tim (timeless) a až následný heterodimér blokuje transkripciu. Celý cyklus trvá približne 24 hodín a mutácie génov vedú k poruchám cirkadiánnych rytmov (Obr.1).
Okrem génov determinujúcich chod hodín existuje aj veľký počet génov riadených hodinami (clock controlled genes), ktoré obsahujú zložku schopnú reagovať s produktom hodinových génov (circadian clock response element), a ktoré následne riadia vonkajšie rytmy v biochémii, fyziológii a správaní. Na základe uvedenej poznatkovej základne sa uskutočňuje rozsiahly výskum molekulárnych mechanizmov cirkadiánnych rytmov aj u stavovcov, ktoré bol inšpirovaný objavením prirodzenej semidominantnej mutácie cirkadiánneho systému u škrečka zlatého. Homozygotne jedince nesúce túto mutáciu, nazývanú tau, vykazujú skrátenú cirkadiánnu periódu rytmu pohybovej aktivity o 4 hodiny a u heterozygotných jedincov o 2 hodiny v porovnaní s divým fenotypom (približne 24 hodín). Pomocou transplantačných pokusov s použitím tau mutantov sa definitívne potvrdila prítomnosť centrálneho cirkadiánneho oscilátora v suprachiazmatických jadrách hypotalamu a tento model služi aj na analýzy vzťahov medzi cirkadiánnymi a ultradiánnymi rytmami, ako aj behaviorálnymi aktivitami.
Vzhľadom na neprebádanosť genómu škrečka však táto mutácia nie je vhodná na molekulárno-biologické štúdie cirkadiánneho systému a preto sa dr. Joe Takahashi so svojou skupinou z Northwestern University, Chicago, USA, rozhodli pripraviť mutantov v cirkadiánom systéme u laboratórnnej myši. Cielenou mutagenézou indukovali mutácie cirkadiánnych rytmov pohybovej aktivity u myší a tieto analyzovali vzhľadom na dĺžku cirkadiannej periódy rytmov pohybovej aktivity. Prístup bol úspešný po testovani 400 jedincov a na základe izolovanej mutácie bol klonovaný hodinový gén "clock", lokalizovaný na piatom chromozóme, ktorý je semidominantný a má viaceré podobné znaky s génom tau spomínaným u škrečka. Tento postup prvýkrat demonštroval priamy prístup k riešeniu regulácie komplexného behaviorálneho procesu pomocou indukovaných mutácii a zároveň prvýkrát jasne demonštroval, že komplexné správanie, akým pohybová aktivita nesporne je, môže byť podstatne pozmenené mutáciou jedného génu a zmenou aktivity malej skupiny buniek (približne 6 000) lokalizovaných v suprachiazmatických jadrách hypotalamu.
Spätno-väzobný oblúk proteín - mRNA demonštrovaný na obrázku sa stále považuje za základný princíp generovania cirkadiánnych rytmov na molekulárnom základe, ale celý systém sa ukazuje byť zložitejší ako sa pôvodne očakávalo. Nasvedčuje tomu objav bielkoviny norturnínu, ktorého syntéza je limitovaná iba na tmavú fazu dňa, ako aj objav vápnikových kanálov fungujúcich na cirkadiánnom základe v epifyzárnych bunkách kurčiat. Najnovšie výskumy u Neurospóry zasa odhalili existenciu dvoch nových génov (wc-1 a wc-2) kódujúcich proteíny, ktoré aktivujú hodinové gény. Tým sa model spätnoväzobnej slučky rozširuje o ďalší stupeň aktivátorov hodín. Jeden z najnovších modelov cirkadiánnej organizácie dokonca kladie slučku mRNA-proteín mimo oscilátor, do eferentnej dráhy cirkadiánneho systému.
Výskum v poslednom desaťročí jednoznačne lokalizoval oscilátor, kde sú biologické hodiny generované a súčasnosti sa približujeme k poznaniu, ako biologické hodine merajú čas (tikajú). Motívom enormného úsilia v tejto oblasti je skutočnosť, že lepšie pochopenie cirkadiánnej biológie môže signifikantne zlepšiť kvalitu života a vysvetliť, ako komplexné vzorce správania môžu vyplývať so zmenenej aktivity relatívne malého počtu diskrétne lokalizovaných neurónov v mozgu a nimi produkovaných molekúl.