Το φως που πέφτει στα μάτια κάνει την επίφυση να μειώσει την παραγωγή μελατονίνης, ορμόνης που παίζει καθοριστικό ρόλο στη διαδικασία ύπνου - εγρήγορσης. Το σήμα για τη μείωση της μελατονίνης διαδίδεται από τον αμφιβληστροειδή, μέσω του οπτικού νεύρου, στον υπερχιασματικό πυρήνα. Η σύνδεση του τελευταίου με την επίφυση είναι έμμεση

Οπως διαπιστώθηκε από μελέτες, οι πρώτες από τις οποίες χρονολογούνται από το 1960, το βασικό στοιχείο του βιολογικού ρολογιού του ανθρώπου είναι ο υπερχιασματικός πυρήνας, μια ομάδα νευρικών κυττάρων στη βάση του εγκεφάλου, στην περιοχή που ονομάζεται υποθάλαμος. Οταν το φως πέφτει πάνω στον αμφιβληστροειδή χιτώνα των ματιών, ειδικά νεύρα στέλνουν σήματα στον υπερχιασματικό πυρήνα, ο οποίος ρυθμίζει στη συνέχεια μια πλειάδα ενεργών βιολογικών ουσιών. Οι ουσίες αυτές ερεθίζουν για παράδειγμα την επίφυση. Με βάση τα σήματα που λαμβάνει η επίφυση παράγει διαφορετική ποσότητα μελατονίνης (αποκαλείται και ορμόνη ύπνου). Καθώς πλησιάζει η νύχτα, η επίφυση αρχίζει να παράγει περισσότερη μελατονίνη. Οταν η συγκέντρωσή της στο αίμα αυξάνεται, μειώνεται ελαφρώς η θερμοκρασία του σώματος και ο άνθρωπος νιώθει αυξανόμενη υπνηλία.

Αν και το φως φαίνεται να επαναρυθμίζει το βιολογικό ρολόι καθημερινά, ο κύκλος ημέρας - νύχτας, γνωστός και σαν κιρκαδικός κύκλος ή ρυθμός συνεχίζει να βρίσκεται σε λειτουργία ακόμα κι όταν ο άνθρωπος αποκλειστεί για καιρό σε μέρος που δεν έχει εναλλαγές φωτισμού. Μελέτες που έγιναν σε έγκλειστους επί εβδομάδες σε καταφύγια έδειξαν ότι το βιολογικό ρολόι μπορεί να διατηρεί τον κύκλο των 24,18 ωρών ανεξάρτητα από το φωτισμό του περιβάλλοντος. Απέδειξαν επίσης, ότι ο κιρκαδικός ρυθμός είναι ανεξάρτητος από την ηλικία και το ίδιο σταθερός ακόμα και σε ηλικιωμένα άτομα.

Πρόσφατες έρευνες οδήγησαν στην ανακάλυψη των γονιδίων και των πρωτεϊνών που σχετίζονται με τα βιολογικά ρολόγια. Σε ένα βάθος χρόνου, οι ανακαλύψεις αυτές αναμένεται να οδηγήσουν όχι μόνο σε φαρμακευτικές αγωγές γι' αυτούς που είναι αναγκασμένοι να κάνουν συχνά μακρινά αεροπορικά ταξίδια, αλλά και για μια σειρά διαταραχές του ύπνου, ακόμα και για την εποχική κατάθλιψη.

Χρησιμοποιώντας μύγες των φρούτων που εξαιτίας μεταλλάξεων εμφάνιζαν διαφορετικό κιρκαδικό ρυθμό διαπιστώθηκε ότι υπάρχει ένα γονίδιο που προσδιορίζει την περίοδο του ρολογιού (δηλαδή αν θα είναι εικοσιτετράωρη, μεγαλύτερη ή μικρότερη από 24 ώρες, ή δε θα υπάρχει καθόλου). Ερευνώντας παραπέρα βρήκαν και δεύτερο γονίδιο που η τροποποίησή του είχε σαν αποτέλεσμα την ανυπαρξία κιρκαδικού ρυθμού. Στη συνέχεια παρασκεύασαν τις πρωτεΐνες που κωδικοποιούν τα δύο αυτά γονίδια και διαπίστωσαν ότι συνδέονται μεταξύ τους. Συγκεκριμένα, τα δύο γονίδια παραμένουν ενεργά μέχρι που οι συγκεντρώσεις των πρωτεϊνών τους ανέβουν τόσο, ώστε να σχηματίσουν αρκετό σύμπλοκο (το αποτέλεσμα της ένωσης των πρωτεϊνών), το οποίο μπαίνοντας στον πυρήνα του κυττάρου να απενεργοποιήσει τα γονίδια που τις παράγουν. Μετά από μερικές ώρες τα ένζυμα του κυττάρου αποικοδομούν το σύμπλοκο και τα γονίδια ξαναρχίζουν να παράγουν πρωτεΐνες, επαναλαμβάνοντας τον κύκλο.

Οι ερευνητές δεν άργησαν να βρουν τα αντίστοιχα δύο γονίδια τόσο στα ποντίκια, όσο και στον άνθρωπο. Αλλά τι ενεργοποιεί αυτό το μηχανισμό εξαρχής. Παραπέρα έρευνες οδήγησαν στην ανακάλυψη άλλων δύο γονιδίων που κωδικοποιούν πρωτεΐνες ικανές να θέσουν σε λειτουργία ή να σταματήσουν εντελώς τη λειτουργία του βιολογικού ρολογιού. Από κοινού, τα τέσσερα γονίδια και οι αντίστοιχες πρωτεΐνες τους φαίνεται να παρέχουν το μηχανισμό διατήρησης των κιρκαδικών ρυθμών σε όλο το ζωικό βασίλειο, από τα ψάρια και τους βατράχους, μέχρι τα ποντίκια και τους ανθρώπους. Τώρα οι επιστήμονες ερευνούν τους βιοχημικούς μηχανισμούς με τους οποίους τα βιολογικά ρολόγια καθορίζουν διάφορες βιολογικές δραστηριότητες.