CRONOBIOLOGIA

UNA APROXIMACION AL TIEMPO EN BIOLOGIAJuan Antonio Madrid, Ma Angeles Rol y F. Javier Sanchez. Grupo de Cronobiologa

Departamento de Fisiologa. Universidad de Murcia. E-mail: jamadrid@um.es

Alguna vez se ha preguntado: por que dormi-mos por la noche?, por que el numero de linfocitosen sangre venosa humana se duplica hacia las 2 dela madrugada?, por que una copa de vino producemayores niveles de alcoholemia por la manana quepor la tarde?, por que la mayora de las grandescatastrofes producidas por errores humanos (Cherno-bil, Three Mile Island, Bopal...) se desataron entrela 1 y las 3 de la madrugada? o que es lo que de-sencadena la reproduccion de muchos animales enun periodo concreto del ano? Estas y otras muchascuestiones, relacionadas con la influencia del tiempocronologico en los seres vivos, son objeto de estudiode la Cronobiologa, disciplina cientfica que estudiala organizacion temporal de los seres vivos, sus alte-raciones y los mecanismos que la regulan. En termi-nos practicos, la Cronobiologa se ocupa de estudiarlos mecanismos por los que se producen los ritmosbiologicos y sus aplicaciones en biologa y medicina.Es importante recalcar aqu que la Cronobiologa esuna ciencia basada en la experimentacion, que no tie-ne absolutamente nada que ver con los biorritmos deferia o con los horoscopos. Pretender que una persona,por el hecho de haber nacido en un determinado mo-mento, mostrara a lo largo de su vida determinadosciclos de forma permanente, no se sustenta en ningun

Figura 1. El sistema circadiano de mamferos se compone deun conjunto de marcapasos organizados jerarquicamente. a)El reloj, principal, localizado en el nucleo supraquiasmaticode hipotalamo (NSQ) se compone de numerosos osciladores(neuronas y celulas de la gla). El NSQ recibe la informacion lu-minosa a traves del tracto retinohipotalamico, lo que le permi-te estar continuamente sincronizado con el ambiente. El NSQ,a su vez coordina el funcionamiento temporal de diferentesmarcapasos secundarios localizados en otras areas del cere-bro (cortex cerebral). b) Una neurona de NSQ es capaz deexpresar ritmos circadianos de gran amplitud en su actividadelectrica cuando se le mantiene in vitro durante 9 das. Tam-bien, fragmentos de NSQ y de hgado son capaces de mostrarritmicidad circadiana en la expresion del gen Per1, uno de losgenes implicados en el reloj molecular. Tomado de Reppert

Weaver, Nature, 418:935, 2002.

resultado cientfico y es harto improbable que puedaser demostrado en el futuro. A pesar de que nuestrossentidos nos indican que el tiempo discurre como lohace el desplazamiento de una flecha o el discurrir delagua en un ro, y por tanto, que el pasado es inmuta-ble, que el futuro es indeterminado y que la realidadexiste solo en el tiempo presente, ni los filosofos nilos fsicos se ponen completamente de acuerdo endefinir lo que es realmente el tiempo, ni por que exis-te. Tradicionalmente, el tiempo es considerado comouna cuarta dimension, sin embargo, ello no significaque sea identico a las tres dimensiones del espacio.De hecho, a medida que los fsicos profundizan ensu concepto llegan a la conclusion de que, como pos-tulo Albert Einstein: Pasado, presente y futuro sonsolo ilusiones, aunque sean ilusiones pertinaces.

...la Cronobiologa es una cienciabasada en la experimentacion,

que no tiene absolutamentenada que ver con los biorritmosde feria o con los horoscopos...

El tiempo para los fsicos esta ya desplegado ensu totalidad con los sucesos del pasado y futuro co-locados en una especie de paisaje temporal continuo,analogo al espacial. Por el contrario, para los biolo-gos, el tiempo es una variable incrustada en la viday experimentada por todos los organismos de cual-quier epoca. La importancia del tiempo en la vida delos seres vivos se pone de manifiesto por la apariciontemprana en la evolucion, y por la persistencia, decomplejos mecanismos para medir el paso del tiempo,permitiendo, de este modo, a los organismos disponerde relojes biologicos autonomos que les han permitidoanticiparse a los sucesos que ocurren de un modo pe-riodicamente previsible, como la salida y puesta delsol, la llegada de las estaciones, el horario de comidaso la aparicion de predadores en ciertos momentos delda.

Curiosamente, a pesar de la trascendencia que tie-ne el tiempo en la vida de los seres vivos, la biologaha tardado mucho en abordar de un modo cientfico suestudio. Fue a partir de la decada de los 60 cuando sedieron los primeros pasos de la Cronobiologa moder-na, gracias a la actividad pionera de Franz Halberg(USA), Colin Pittendigh (USA), Jurgen Aschoff (Ale-mania) y Alain Reinberg (Francia), sin embargo, aunhoy, los conocimientos basicos de Cronobiologa no se

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han imbricado en la biologa moderna. Probablemen-te, una de las razones principales para ello ha sidoel que la Cronobiologa ha entrado en conflicto conuno de los paradigmas mas ampliamente aceptadosen biologa, el de la homeostasis (concepto definidopor Walter Cannon a partir de los escritos de ClaudeBernard sobre la constancia del medio interno). Laidea de que la vida va unida a la constancia en lasvariables biologicas, idea que subyace al concepto dehomeostasis, entra en contradiccion con la existenciade ritmos biologicos en la mayora de las funcionesde los seres vivos. En la medida en que se supereeste paradigma, la Cronobiologa, centrada en la or-ganizacion en el tiempo de las funciones organicas,entrara a formar parte de la biologa actual como hoylo es la Anatoma o la Histologa, disciplinas dedi-cadas al estudio de la organizacion espacial de losorganismos.

En la mayora de los seres vivos, existen relojesbiologicos que senalan el transcurrir de los segundos,minutos, das, meses y anos, y son los que explicanla sucesion de episodios de sueno y vigilia cada 24 h,la aparicion mensual de hormonas implicadas en lamenstruacion de la mujer o, las migraciones anualesde los salmones. Pero, ademas de estos ubicuos siste-mas para medir el tiempo los seres vivos disponen detres mecanismos adicionales que se comportan comocronometros. Uno de ellos, localizado en el cerebro,permite detectar intervalos de segundos, minutos yhoras. Este reloj de intervalo, es el que permite pre-sentir que un semaforo va a cambiar a verde cuandohemos detenido el automovil, regular la cadencia conla que se accionan las teclas de un piano para produ-cir una meloda o, la secuencia temporal implicada enun paso de danza.

...un reloj biologico internopermite a los organismos que

lo poseen adelantarse adeterminados acontecimientos

cclicos...

El segundo de estos mecanismos, tambien locali-zado en el cerebro, es el que permite asociar a cadaacontecimiento de nuestras vidas una etiqueta tem-poral. Es imprescindible para recordar y discriminarsin lugar a dudas que un suceso tuvo lugar ayer, haceuna semana o hace un ano. A pesar de ser una funcioncasi desconocida para los neurobiologos, el correctoetiquetado del tiempo es fundamental para nuestravida. Posiblemente el conocido fenomeno del deja vu(sucesos que estan ocurriendo en la actualidad peroque percibimos como si ya los hubieramos vivido conanterioridad) se corresponde con una alteracion tran-sitoria de este sistema. Finalmente, un mecanismo

que funciona tambien como un reloj, aunque en estecaso como un reloj de arena, viene a completar la seriede sistemas medidores del tiempo en los organismos.Es el que controla el numero de veces que puede di-vidirse una celula, basado en el acortamiento de lostelomeros tras cada ciclo celular. Este sistema podraimponer un lmite final a la existencia temporal deun ser vivo.

De los cuatro sistemas expuestos con anteriori-dad, la Cronobiologa se ha ocupado tradicionalmentedel primero de ellos, los relojes biologicos que orga-nizan las funciones del organismo de un modo cclicoen sincrona con determinados cambios ambientales.

Figura 2. Sucesion a lo largo de las 24 horas de los maximos ymnimos de algunas variables que muestran ritmos circadianosen los humanos. Tomado de Smolensky

Lambert. Guide tobetter health. Henry Holt, 2000.

Es precisamente a este aspecto de la biologa tempo-ral al que le dedicaremos nuestra atencion a partir deahora. Desde el reconocimiento explcito que se haceen el Eclesiastes segun el cual hay una estacion y untiempo para cada cosa bajo el cielo; un tiempo paranacer y un tiempo para morir; un tiempo para plan-tar y un tiempo para recolectar lo que se ha plantado.Dios hizo cada cosa bella en su momento, individuosde todas las epocas ha mostrado su fascinacion conlos ritmos biologicos endogenos que muestran todaslas especies de los reinos vegetal y animal.

Los relojes biologicos endogenos organizan las fun-ciones organicas en sincrona con los ciclos ambienta-les, como la alternancia luz-oscuridad, la sucesion deestaciones, los ciclos lunares y las mareas, facilitandola sincronizacion del comportamiento de los organis-mos a dichos ciclos geofsicos.

A partir de la aparicion de la vida en la Tierrahace unos 4.500 millones de anos, esta ha dado unos1,5 billones de vueltas. Eso por s solo justifica quelos organismos hayan ajustado el periodo de las os-cilaciones en sus funciones al ciclo diario ambiental

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mas importante, la alternancia da/noche. Por otrolado, hay que tener en cuenta que los primeros or-ganismos no podan estar expuestos directamente ala luz solar ya que la elevada radiacion U.V. habraalterado las moleculas de DNA, protenas, etc. Ellofavorecio que muchos organismos desarrollaran me-canismos internos para medir el paso del tiempo yque le permitieran prever la salida del sol y modificarsu fisiologa y comportamiento antes de que ocurrie-ra.

Como ya se ha mencionado, disponer de un re-loj biologico interno permite a los organismos que loposeen adelantarse a determinados acontecimientoscclicos. De este modo el organismo estara prepara-

do para aprovechar una determinada situacion am-biental desde el primer momento en que se produce.Pensemos, por ejemplo, en animales que se reprodu-cen una vez al ano. Concentrando el periodo repro-ductor aumentan las posibilidades de que sus descen-dientes sobrevivan a la presion de los depredadores.Ademas, si las cras nacen en la epoca del ano dondeexiste una mayor abundancia de alimento, contarancon una ventaja anadida frente a aquellas que naz-can en epocas donde el alimento escasee o los depre-dadores abunden. De este modo se seleccionan aque-llos animales provistos de relojes biologicos precisosque inducen la reproduccion en el momento mas favo-rable para la especie.

Figura 3. Ritmo circadiano de temperatura oral y de presion arterial sistolica de un grupo de 20 alumnos universitarios mantenidosdurante 24 horas en vigilia constante (para evitar los efectos del sueno). Cada 2 horas los alumnos realizaron sobre s mismos lasdeterminaciones. Estos datos han sido obtenidos como parte de un estudio mas amplio disenado para introducir la Cronobiologa alos estudiantes de Biologa y Medicina.

Los relojes biologicos tambien gobiernan la vidade los humanos. Nuestros relojes internos nos man-tienen mentalmente alerta durante el da y nos pre-paran para el descanso y recuperacion durante lanoche. Este patron continua incluso en ausencia desenales temporales externas, como la salida y pues-ta del sol. Son clasicos los experimentos en los quevoluntarios, recluidos en cuevas o apartamentos ais-lados, mantenidos con iluminacion continua de bajaintensidad, mantienen sus ritmos circadianos con pe-riodos de aproximadamente 24 h. Los cronobiologoshan establecido que la luz puede poner en hora elreloj circadiano pero que este reloj no depende de lasalida y puesta del sol diaria para seguir funcionando.

Las diferentes variables que experimentan ritmosbiologicos muestran maximos en distintos momentosdel ciclo diario. La sucesion ordenada de estos maxi-mos implica la existencia de una estructura temporal,muy parecida a la que se produce con la sucesion or-denada de notas en una meloda musical. El bienestary ausencia de enfermedad de un organismo depende

en buena medida de que se mantenga su estructuratemporal. Generalmente, no somos conscientes de loque supone el correcto funcionamiento de nuestrosritmos internos, sin embargo, cualquiera que hayasufrido los efectos desagradables del jet lag (sndro-me producido por el cambio brusco de horario como elque se produce tras un vuelo transmeridiano) o hayatrabajado a turnos durante la noche, habra experi-mentado la importancia que tiene para nuestra saludel buen funcionamiento de los relojes circadianos. Enciertas ocasiones, determinadas alteraciones en el re-loj biologico pueden ser hereditarias, con problemasque afectan a familias enteras. Un ejemplo de ello lotenemos en el sndrome de fase avanzada de sueno,por el cual los individuos se duermen muy pronto, porla tarde, y se despiertan tempranamente en la ma-drugada, a pesar de los esfuerzos por llevar una vidanormal.

La comprension del funcionamiento del reloj cir-cadiano puede explicar, por ejemplo, por que los in-fartos de miocardio ocurren con mayor frecuencia por

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la manana o por que los ataques de asma se sucedencon mayor frecuencia por la noche. La aplicacion dela Cronobiologa a la farmacologa medica esta per-mitiendo, por ejemplo, que los ndices de curacionde ciertos tipos de cancer, puedan mejorar significa-tivamente mediante la aplicacion modulada de losagentes quimioterapicos convencionales, simplemen-te tomando en consideracion las horas de mayor sen-sibilidad a los efectos toxicos de los farmacos y lasde mayor sensibilidad de las celulas tumorales. Estaestrategia permite aumentar las dosis en los momen-tos de maxima tolerancia por parte del paciente ydisminuirla cuando se produce la mayor toxicidad.Con estos sistemas cronomodulados (las infusionesde farmacos se hacen de forma rtmica y no constan-te), no solo mejora la curacion sino que se reducenlos efectos secundarios ligados a la gran toxicidadde la quimioterapia. Logicamente, si no desterramosde nuestros conceptos, la idea ampliamente admitida

...cada organismo es diferentedesde el punto de vista

bioqumico y funcional en distintashoras del da o en diferentes

momentos del mes o del ano...

y nunca demostrada experimentalmente, de que unfarmaco produce los mismos efectos con independen-cia del momento del da en el que se aplica (idea de-rivada del concepto de homeostasis), sera muy difcilincorporar la Cronobiologa a la Medicina. En la ac-tualidad disponemos de suficientes pruebas experi-mentales que permiten establecer, sin ningun generode dudas, que cada organismo es diferente desde elpunto de vista bioqumico y funcional en distintashoras del da o en diferentes momentos del mes o delano.

A pesar de la fascinacion que han ejercido los relo-jes biologicos en los seres humanos, solo muy recien-temente se han producido avances en la comprensionde los mecanismos fisiologicos y moleculares que losregulan. A comienzos de los 70 se descubrio que elreloj circadiano principal de los mamferos (el quegenera ciclos de aproximadamente 24 horas) estabalocalizado en el hipotalamo. Se trataba de una agru-pacion de varios miles de neuronas, llamada nucleosupraquiasmatico, capaz de gobernar por s solo unagran variedad de ritmos circadianos de nuestro cuer-po, desde ciclos hormonales y de temperatura centralhasta la susceptibilidad a contraer enfermedades. Elreloj circadiano de hipotalamo utiliza tanto mecanis-mos nerviosos como humorales para hacer llegar atodos los organos y tejidos sus mensajes cclicos. Unode estos mecanismos se basa en la generacion de unmediador qumico que aparece unicamente durantela oscuridad, la molecula melatonina (sintetizada a

partir del aminoacido triptofano), producida por laglandula pineal. La melatonina es capaz de generaren los organismos las adaptaciones fisiologicas queocurren de forma natural durante la oscuridad.

Como otros muchos avances en la genetica molecu-lar, la comprension de los mecanismos molecularesque explican el funcionamiento de los relojes biologi-cos comenzo con el descubrimiento de una mutacionespontanea en Drosophila, a finales de los anos 60.Las moscas de la fruta mutantes, denominadas mu-tantes per (de periodo) mostraban alteraciones en elperiodo de sus ritmos circadianos como consecuen-cia de una mnima alteracion en el gen per. Tuvieronque transcurrir 20 anos hasta que se produjo la clo-nacion y la descripcion de la secuencia del gen per.Sin embargo, en los ultimos 7 anos los exitos en lainvestigacion sobre las bases moleculares de los rit-mos biologicos se han sucedido sin cesar. Utilizandocianobacterias, hongos, moscas de la fruta, ratones,plantas y humanos se ha identificado una pequenafamilia de genes que controlan los ritmos circadianos.El dibujo emergente actual es el de un conjunto demecanismos moleculares exquisitamente regulados,en el que las actividades de determinados genes cir-cadianos (clock, cycle, timeless...) oscilan en armonacon los ciclos de luz y oscuridad. Estos nuevos des-cubrimientos ofrecen uno de los mejores ejemplos decomo en la moderna biologa, complejos patrones decomportamiento pueden ser controlados por interac-ciones a nivel molecular.

Probablemente, dentro de algunos anos, la Cro-nobiologa formara parte de la Biologa clasica comohoy ocurre con la Zoologa, Botanica, Histologa, Bio-qumica, Genetica, Fisiologa o Ecologa. De la aper-tura de horizontes y falta de prejuicios de las futurasgeneraciones de biologos y de sus maestros depen-dera la rapidez con la que este proceso ocurra.

Bibliografa

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http://www.holidaylectures.orghttp://www.um.es/cronobio/ Pagina del Grupo de Crono-biologa del Departamento de Fisiologa. Facultad de Bio-loga.

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