Se las denomina “fechas entrañables” o “jornadas especiales”, se marcan en rojo en los calendarios y, lo más importante, llegan una y otra vez: ¡Son los días “señalaitos”!. Cualquier persona sabe cuáles son, y barrunta cuándo tocan, pero ¿existe alguna razón biológica, que sustente esta constante antropológica, para buscar reincidencias temporales vestidas de “fiestas de guardar”?… El caso es que, si se mira su distribución, se puede vislumbrar que la respuesta es afirmativa ya que, la vida en la Tierra, se desarrolla cíclicamente y prever los cambios que, rítmicamente, se han de producir, una y otra vez, ha tenido y sigue teniendo, una enorme ventaja adaptativa. Esta sería la base del éxito de los ritmos biológicos que habrían surgido, en el curso de la evolución, en respuesta a determinadas variables ambientales cíclicas que varían en el planeta.
Fotoperiodo (que se adivina como el más extendido) temperatura, humedad, salinidad, etc. actúan como claves temporales. Todas estas circunstancias ambientales, que se repiten, aportan información al sujeto que las percibe y se han venido a denominar “zeitgebers” (del alemán Zeit, tiempo; geber, dador). Los seres vivos que fueron capaces de interpretar adecuadamente estas “señales” obtuvieron una notable ventaja selectiva, entre sus congéneres, y evolucionaron “asimilando” el tiempo externo a su propia organización temporal. Siguiendo un principio de homeostasis predictiva, esta detección permitiría al sujeto sincronizarse con el ambiente. Así, las especies se han adaptado a diferentes nichos temporales (adquiriendo hábitos diurnos o nocturnos) o han “programado” su ciclo de reproductivo, de tal forma que, el nacimiento de sus crías coincida con la mayor disponibilidad de nutrientes, por ejemplo. Como consecuencia, cualquier actividad vital, sea de la índole que sea (desde la excitabilidad nerviosa, a las modificaciones endocrinas, pasando por las diferentes pautas de conducta) se desarrollarán con un patrón rítmico, en respuesta a los “relojes biológicos” del individuo.
Estos “cronómetros endógenos”, que se ajustan de acuerdo con la duración de estos ritmos extrínsecos, se clasifican según su duración en relación con el fotoperiodo. Según esto, se denominan ritmos circadianos a aquellos cuyos procesos se repiten cada 24 horas aproximadamente. Es evidente que son ritmos ligados a la rotación de la Tierra, y a las consecuencias que lleva consigo sobre la variación de la luz, temperatura, etc. y subyacen al establecimiento del ciclo sueño-vigilia entre otros. Huelga decir, lo importante que resulta, para el sujeto, mantener su actividad cuando las condiciones ambientales son las adecuadas para ello, como por ejemplo con visibilidad para cazar (¡o para huir!). Estas modificaciones diarias son muy notorias pero también existen otras variaciones cíclicas que afectan a los organismos Así, los ritmos infradianos presentan periodos superiores a 24 horas (es decir, el evento ocurre menos de una vez al día) como el patrón hormonal de las hembras de mamíferos. También existen ritmos ultradianos que ocurren en ciclos fisiológicos de 20 horas o menos, como las modificaciones de la fiebre o los niveles de glucosa en la especie humana. Es decir, existe una “programación temporal” de la fisiología de los organismos.
La reproducción, en este sentido, es un ejemplo interesante de como “relojes biólogos” internos del sujeto y “donadores de tiempo” ambientales interactúan. A través de las variaciones del eje hipotálamo-hipofisario se genera un mecanismo de conexión entre las variaciones ambientales (fundamentalmente el fotoperiodo) y los citados ciclos de origen endógeno, que son prácticamente ubicuos y se mantienen tras períodos prolongados de aislamiento ambiental (esta última característica es de gran trascendencia, pues implica que se trata de una condición intrínseca del sujeto). Así, el grupo entra en celo en una época concreta, lo que optimiza fertilidad y viabilidad de las crías, y esto ocurre a pesar que se modifiquen las condiciones externas. Es decir, se generan cambios hormonales y metabólicos por el organismo que no dependen del ambiente que lo rodea (lo que significa que está codificado genéticamente). Sin embargo, no es una circunstancia irreversible. Si la modificación ambiental persiste, el sistema se puede “reprogramar” (por ejemplo porque el grupo se haya trasladado a una latitud diferente de forma duradera). En cualquier caso, este hecho implica que los ritmos circadianos precisan procesos capaces de medir el tiempo con gran precisión. El concepto de “reloj biológico” se refiere a este grupo de procesos. En los vertebrados, retina, glándula pineal y núcleo supraquiasmático, son las estructuras implicadas en el funcionamiento de este “marcapasos circadiano” capaz de “medir el tiempo”.
El núcleo supraquiasmático tiene un metabolismo celular muy interesante. De hecho, la actividad de sus neuronas, es consecuencia de la oscilación en la expresión de un amplio conjunto de genes que forman asas de retroalimentación transcripción-traducción. Son los genes que controlan los relojes biológicos.
El más conocido, de estos genes “ritmicos”, Clock (de sus siglas en inglés “Circadian Locomotor Output Cycles Kaput”), codifica la proteína CLOCK que parece afectar tanto la persistencia como la duración de los ciclos circadianos. CLOCK es un factor de transcripción capaz de dimerizar in vivo con otra interesante proteína: BMAL-1 y, así, afectar la expresión de los genes Period y Timeless. Se cree que los productos dimerizados de los genes clock y bmal-1 (CLOCK/BMAL1) funcionan como factores de trascripción que se unen en los promotores de varios de los genes per, entre otros. Las proteínas producto de estos los genes forman heterodímeros que, cuando modifican su estructura, son más estables que los monómeros o que los homodímeros, y además son capaces de ser traslocados al núcleo (donde inhiben su propia trascripción al desplazar al complejo CLOCK/BMAL del promotor). Ciclos como este, de expresión-inhibición (en la que la propia proteína es precisa para regular la expresión rítmica de su ARMm) son el origen del reloj interno en la célula.
En el caso de las neuronas del supraquiasmático, sincronizan su actividad con la cantidad de luz ambiental detectada en los ojos. Para ello,se emplea la información que recibe de la retina. La retina contiene, no sólo fotorreceptores que permiten distinguir formas o colores, sino que, también, presenta células ganglionares con un pigmento llamado melanopsina, las cuales a través del tracto retino-hipotalámico llevan la información luminosa al mencionado núcleo supraquiasmático. De hecho la lesión bilateral de esta estructura produce la desorganización del patrón circadiano, que caracteriza tanto conductas como parámetros fisiológicos. Así mismo, la estimulación eléctrica o química de estos núcleos induce cambios similares a los provocados por la exposición a la luz.
En definitiva, para el cerebro, de cómo el calendario pasa sus hojas, se encarga la actividad cíclica endógena en este núcleo y su patrón de conexiones que (aunque modulado desde fuera) una y otra vez repite su actividad. El núcleo supraquiasmático toma esta información sobre el ciclo luz/oscuridad externo, la interpreta, y la envía al ganglio cervical superior. La ruta de determinación cronológica continúa, desde aquí, con la señal redirigida a la glándula pineal que secreta la hormona melatonina. La secreción de melatonina es baja durante el día y aumenta durante la noche. Se trata de una hormona derivada de la serotonina (lo que por si mismo es indicativo de su importancia en la gestión de los estados de ánimo) afectando tanto a los ritmos circadianos como los estacionales. O sea que, desde el punto de vista de la evolución biológica, la glándula pineal representa un tipo de fotorreceptor atrofiado aunque, en algunas especies de anfibios y reptiles, se presenta como un órgano vestigial, conocido como “ojo pineal”.
Todo un complejo circuito de detección de la luminosidad que permite al sujeto ajustar su actividad con eficacia. La duración de la luz ambiental cambia a lo largo de las estaciones en las latitudes medias del planeta y esta modificación anticipa la llegada de la abundancia en primavera o el descenso de actividad invernal…Y con ello esos días “señalaítos” de modo que…
¡Feliz solsticio! ¡qué es lo que toca!…
Para saber más:
- “Suprachiasmatic Nucleus and Subparaventricular Zone Lesions Disrupt Circadian Rhythmicity but Not Light-Induced Masking Behavior in Nile Grass Rats”. Gall AJ, Shuboni DD, Yan L, Nunez AA, Smale L. J Biol Rhythms. 2016;31(2):170-81.
- “Lithium effects on circadian rhythms in fibroblasts and suprachiasmatic nucleus slices from Cry knockout mice”. Noguchi T, Lo K, Diemer T, Welsh DK. Neurosci Lett. 2016;619:49-53.
- “Real-Time Recording of Circadian Per1 and Per2 Expression in the Suprachiasmatic Nucleus of Freely Moving Rats”. Yamaguchi Y, Okada K, Mizuno T, Ota T, Yamada H, Doi M, Kobayashi M, Tei H, Shigeyoshi Y, Okamura H. J Biol Rhythms. 2016;31(1):108-11.
- “IA Channels Encoded by Kv1.4 and Kv4.2 Regulate Circadian Period of PER2 Expression in the Suprachiasmatic Nucleus”. Granados-Fuentes D, Hermanstyne TO, Carrasquillo Y, Nerbonne JM, Herzog ED. J Biol Rhythms. 2015;30(5):396-407.
- “Suprachiasmatic nucleus as the site of androgen action on circadian rhythms”. Model Z, Butler MP, LeSauter J, Silver R. Horm Behav. 2015;73:1-7.
- “Vasoactive intestinal polypeptide (VIP)-expressing neurons in the suprachiasmatic nucleus provide sparse GABAergic outputs to local neurons with circadian regulation occurring distal to the opening of postsynaptic GABAA ionotropic receptors”. Fan J, Zeng H, Olson DP, Huber KM, Gibson JR, Takahashi JS. J Neurosci. 2015; 4;35(5):1905-20.
- “Temporally chimeric mice reveal flexibility of circadian period-setting in the suprachiasmatic nucleus”. Smyllie NJ, Chesham JE, Hamnett R, Maywood ES, Hastings MH. Proc Natl Acad Sci U S A. 2016 Mar 29;113(13):3657-62.
- “The Circadian Clock Gene Period1 Connects the Molecular Clock to Neural Activity in the Suprachiasmatic Nucleus”. Kudo T, Block GD, Colwell CS. ASN Neuro. 2015;7(6).
- “El núcleo supraquiasmático y la glándula pineal en la regulación de los ritmos circadianos en roedores”. Aguilar-Roblero R, Guadarrama P, Mercado C,y Chávez JC. TEMAS SELECTOS DE NEUROCIENCIAS III ED. JAVIER VELÁZQUEZ MOCTEZUMA UAM, 2004; 321.