viernes, 6 de abril de 2012

Ritmos biológicos. El reloj del cerebro.

Según Horacio de la Iglesia. Department of Biology. University of Washington. Seattle. EEUU.

http://www.fac.org.ar/qcvc/llave/c110e/iglesiah.php

Un fenómeno es rítmico cuando se repite a intervalos regulares de tiempo. El intervalo entre la aparición de ese fenómeno y su repetición constituye un ciclo.
La Tierra gira sobre sí misma y alrededor del Sol a una velocidad constante. Toda la energía que se utiliza en la corteza terrestre procede del Sol.

Al girar sobre sí misma, la Tierra expone al Sol, la mitad de su superficie, quedando a oscuras la otra mitad. La parte iluminada acumula energía en forma de calor y a través de la fotosíntesis de las plantas. Este ciclo nictameral (día-noche) ha sido y es un factor determinante de la adaptación biológica: prácticamente todos los seres vivos poseen algún mecanismo que les permite adecuar sus procesos vitales a este perpetuo ciclo.
Casi todos los animales poseen un reloj interno cuyo ciclo es de alrededor de 24 horas. Se trata de un reloj biológico, que se pone en hora cada día gracias a que es sensible a los cambios de luz.

Mientras que unas especies despliegan una gran cantidad de actividad durante el día, la fase diurna del ciclo nictameral, otras se comportan justamente al contrario, están inactivas durante la fase de luz y activas durante la noche. En el primer caso hablamos de especies diurnas en tanto que a las segundas las describimos como nocturnas. Cabe recordar aquí que la clave del éxito de los mamíferos estuvo en su capacidad de controlar endógenamente su temperatura, lo que les permitió explotar el nicho ecológico nocturno en una época en que los grandes reptiles dominaban la Tierra durante el día: los reptiles al ser animales de sangre fría (poiquilotermos), necesitaban el calor solar para mantener una actividad intensa, actividad que no podían mantener por la noche, debido a la bajada de las temperaturas. Esta capacidad termorregulatoria tuvo que ir unida a algún mecanismo capaz de activar a estos primeros mamíferos a la hora (nocturna) adecuada. Algunos estudios demuestran que, efectivamente, el mantenimiento de la ciclicidad circadiana es un rasgo adaptativo, por cuanto la lesión del núcleo supraquiasmático, el principal reloj biológico de los vertebrados, aparte de eliminar esa
ciclicidad, aumentan la tasa de mortalidad en ardillas de tierra, no tanto por el deterioro fisiológico, puesto que los animales mantenidos en laboratorio no se diferencian de los normales en cuanto a supervivencia, como en cuanto a su capacidad de adecuar su conducta a las exigencias del medio: cuando estas ardillas volvían a un hábitat natural, tendían a ser  presas más fáciles para sus depredadores. Igualmente, se ha podido comprobar que la capacidad competitiva de las cianobacterias es óptima cuando el ciclo ambiental está más acorde con su ciclo endógeno natural (para ello se utilizaron cepas con ciclos circadianos endógenos (genéticamente determinados) diferentes: 23, 25 y 30 horas). Se ha observado también que muchas actividades biológicamente importantes se realizan a horas determinadas del día: actividades reproductoras, búsqueda de comida, pero también eclosión de los huevos, parto, etc.

RITMO CIRCANUAL
Otro hecho conocido es que la radiación solar que la Tierra recibe cambia a lo largo del año, repitiéndose cíclicamente año tras año; este cambio es tanto más brusco cuanto más nos alejamos de la línea imaginaria del Ecuador. El ciclo anual no es ni más ni menos que la consecuencia directa de que el eje norte-sur de la tierra, el eje de rotación, está ligeramente inclinado respecto al plano de su órbita alrededor del sol. Los animales (y las plantas) son capaces de adecuar sus procesos vitales a este ciclo anual.








RITMO CIRCALUNAR
La observación de que en la mayoría de las especies los nacimientos ocurren más o menos sincronizadamente y durante la estación más propicia, que es cuando los recursos son más abundantes, cosa que suele ocurrir en la primavera, apunta a que son capaces de captar algún tipo de información ambiental relacionada con los ritmos geoastronómicos y utilizar dichas señales para adecuar su comportamiento a las circunstancias ambientales. La señal ambiental que mejor pronostica la llegada de la primavera y la mejora estacional en las condiciones




ambientales es el progresivo aumento en la duración de la fase diurna. El fotoperiodismo es esta capacidad de servirse de los cambios en la duración del día como clave para regular las conductas de ciclo anual, entre las cuales se encuentra la reproducción de muchas especies. Otras conductas y procesos que siguen un patrón anual son el aumento de peso, la ingesta de
comida, la hibernación, la migración, el cambio de pelaje, especialmente en las zonas árticas, etc.
Entre las especies que tienen un patrón reproductivo circanual podemos distinguir dos tipos:
  • Las que se aparean en primavera y verano, cuando los días se van haciendo más largos (long day breeders), caso de los equinos, que tienen una gestación larga (320-350 días) o los hámsteres, que crían varias veces en ese mismo período (gestación de 20-22 días)
  • Las que se aparean a partir del otoño, caso de ovejas, cabras y ciervos (gestación de 5 a 6 meses); en este último caso se habla de especies que se aparean cuando los días se van acortando (short day breeders). 
  • También entre los animales que habitan los trópicos se observa un ciclo reproductor circanual, ciclo que se mantiene, incluso cuando se les aleja de los trópicos; sin embargo, en este caso, el ciclo es endógeno y no tiene por qué observarse simultaneidad, caso de los elefantes asiáticos o africanos; en determinados casos sí que se observa simultaneidad, asociada, probablemente, al hecho de que la sincronización de los nacimientos sirve como mecanismo defensivo contra los depredadores: caso de los ñus de la sabana africana, de los lemures o los murciélagos frugívoros.
Otro aspecto a tener en cuenta es cómo el ciclo reproductivo anual afecta a machos y a hembras. En las hembras que crían estacionalmente, los ciclos ovulatorios tienen lugar sólo durante una parte del año, en tanto que en los machos el tamaño de los testículos, la liberación de testosterona, así como la producción de esperma y la conducta sexual disminuyen muy significativamente fuera de la estación reproductora, en algunos casos queda un cierto grado de fertilidad (caballos), pero en otros ésta desaparece por completo (hámsteres, osos, etc.).

Como ya hemos visto, los cambios en la duración de las fases diurna y nocturna afecta muy notablemente a la cantidad de melatonina secretada: puesto que es durante la fase de oscuridad cuando se secreta esta hormona, a menos duración de esta fase, menor duración de la fase de secreción de esta hormona. En mamíferos, los animales pinealectomizados son incapaces de mantener el patrón de respuestas estacionales típico de la especie, patrón que se recupera cuando se administra exógenamente melatonina. Es un hecho demostrado la asociación (inversa) entre la melatonina y los ciclos reproductores circanuales .

Por último están los ciclos asociados a la Luna. El día lunar y el recorrido de la órbita alrededor de la Tierra tienen la misma duración, 29.5 días. Existen en la Tierra animales y plantas que coordinan su vida a esos ciclos lunares.

RITMO CIRCATIDAL
Tenemos que considerar también el ciclo de las mareas, que se completa cada 12 horas y 24 minutos. Las mareas, con su pleamar y bajamar, se deben a la atracción gravitatoria que ejerce la masa lunar. En la medida en que la franja afectada por la subida y la bajada de las aguas ocasionada por la marea puede ser el nicho de muchas especies, cabe esperar que esas especies hayan sincronizado su conducta con el ciclo de la marea.



FUNCIONAMIENTO DE LOS RITMOS
Tanto los animales como las plantas mantienen su ciclicidad circadiana aun cuando se los mantenga en oscuridad constante. Hay muchos datos que apoyan la existencia de un reloj endógeno con un ritmo circadiano. Este reloj, no muy exacto, se pone en hora cada día mediante señales externas asociadas al ciclo terrestre de luz-oscuridad. Diversos experimentos han demostrado que el ajuste no se produce más allá de 22-26 horas.
Según el trabajo de Robert Moore:


  • El ritmo es generado por el núcleo supraquiasmático (SCN, epífisis) del hipotálamo, un grupo formado por unas 20.000 neuronas.
  • El SCN se pone en hora por la vía retinohipotalámica (RHT), que transporta información sobre la cantidad de luz ambiental. Un grupo de células grandes y alargadas sensibles a la melanopsina son estimuladas por la luz. El reloj circadiano interno solo puede ajustarse una hora al día y esta es la causa del jet lag.
  • Los axones de las neuronas del SCN establecen sinapsis en varias regiones contiguas del hipotálamo y estas se proyectan  hacia el tronco del encéfalo.
  • Las neuronas del sistema de activación reticular del tronco encefálico utilizan el transmisor acetilcolina y envían sus axones hacia el tálamo donde modulan la transmisión de información con la corteza.
  • La señal sigue por el núcleo paraventricular (PVN) y desde allí llega a alcanzar el ganglio cervical superior hasta lograr contactar con la glándula pineal, donde se pone en marcha la maquinaria bioquímica responsable de la síntesis de melatonina, síntesis que en el ser humano se incrementa entre 30 y 70 veces durante la fase nocturna, gracias a la estimulación noradrenérgica que recibe la glándula mediante la enzima N-acetiltransferasa.




Dick Swaab et all. observaron que el número de neuronas del núcleo supraquiasmático disminuye en los ancianos y sobre todo en los pacientes de Alzheimer. Con la edad, el reloj interno se para. Se ha implicado la glándula pineal en el comienzo de la pubertad, basándose en que los tumores pineales producen pubertad precoz, pero no disponemos de datos concluyentes. En ratas y hamsters la pinealectomía invierte la involución gonadal que se produce tras la exposición a la oscuridad constante.

Tomado de http://ethesis.helsinki.fi/julkaisut/laa/biola/vk/hatonen/review.html

 Síntesis de la melatonina, a partir de triptófano-serotonina, según Reiter (1994). Tomado de http://www.mindfully.org/Technology/EMR-Melatonin-Cherry26jul00.htm
Melatonina en la reproducción humana (mujer). Tomado de http://www.cronobio.es/
Situación del núcleo supraquismático en el humano y la rata. Tomado de http://www.cronobio.es/

La glándula pineal de los mamíferos es homóloga del ojo parietal de peces, anfibios y reptiles.
Ojo parietal de iguana verde. Tomado de http://www.smithway.org/igsite/anatomy.html

La mayoría de las células de los organismos pluricelulares retienen la capacidad de oscilar en su funcionamiento, con la finalidad de adaptarse a las mejores condiciones que permitan la supervivencia.
Reloj celular. Tomado de http://www.cronobio.es/

Los genes BMAL1, CLOCK,  REV-ERBα y β , trabajan juntos en el núcleo de la maquinaria molecular para activar la red de genes circadianos. BMAL1 activa los genes para acelerar nuestra fisiología cada mañana para que estemos alerta, hambrientos y físicamente activos, mientras que REV-ERBα y REV-ERBβ actúan como un freno. Además REV-ERB controlar la actividad de cientos de genes implicados en el metabolismo, lo que explica que nuestro metabolismo celular esté ligado a los ciclos de la luz del día determinado por los movimientos del sol y la tierra (Ronald M. Evans et al, 2012).

ENFERMEDADES HUMANAS RELACIONADAS CON EL MAL FUNCIONAMIENTO DE LOS RITMOS
Probablemente, el síndrome afectivo estacional humano o trastorno afectivo estacional (SAD) sea una reliquia biológica en el sentido de que recuerda mucho a los procesos fisiológicos que acompañan a los cambios estacionales naturales en los animales que habitan en las zonas templadas de la tierra: de alguna manera los cambios de humor y duración del sueño, unidos a un aumento notable en la ingesta y el peso observado en estos pacientes remeda la conducta de los animales que hibernan cuando se acerca el invierno; una forma de tratamiento de estos pacientes es mediante exposición prolongada a la luz directa sobre los ojos, tratamiento que ya griegos y romanos conocían.

Bibliografía: DE PABLO, J. M.: Apuntes de ecología del comportamiento. UNED.


Ver también: El ciclo sueño vigilia.

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