Todos los seres vivos somos relojes con un complejo mecanismo interno. En él, están programados los horarios de la comida, del sueño, de la vigilia, la liberación de hormonas… Esta maquinaria puede reprogramarse cada día conforme cambia nuestro entorno y rutina, pero variaciones importantes en nuestros ciclos naturales o la presencia de enfermedades, pueden hacer que nuestros ritmos biológicos se desajusten. Para estudiar cómo funcionan estos ritmos y cómo son regulados, surge la llamada cronobiología.

¿Qué es la cronobiología?

El mundo en el que vivimos está lleno de eventos que se repiten periódicamente, como pueden ser el día y la noche o las estaciones. Estos fenómenos producen una necesidad de adaptación en los seres vivos, que coordinan sus procesos internos con su entorno. La cronobiología es la ciencia encargada de estudiar la organización temporal de estos procesos, así como los mecanismos que los originan y sus alteraciones. [1]

Si analizamos detenidamente cada uno de los ciclos, veremos que llevan asociados un montón de factores de interés que pueden ser cruciales a la hora de determinar si un ser vivo sobrevive o muere en un cierto ambiente. De esta manera, el cambio de estación trae variaciones en las precipitaciones que caen sobre una zona determinada, condicionando así la disponibilidad de agua, esencial para la vida.

Otra adaptación importante es el intercambio de calor con el medio, que sirve para regular la temperatura corporal y depende de la temperatura y la luz exterior, ¿quién no se ha fijado alguna vez en las lagartijas y salamanquesas, que eligen los meses más cálidos para tomar el sol y cazar; y pasan los meses más fríos y con menos horas de sol a cobijo? Pues bien, estos pequeños animales de sangre fría saben cómo utilizar el cambio de estación para mantener el calor corporal, pero no son ni mucho menos el único ejemplo.

Las plantas, que utilizan la luz del sol para sintetizar su propio alimento, tienen un sistema llamado ‘fotoperiodo‘ para conocer las horas de luz y de oscuridad que tiene el día. Con esta información, la planta puede saber la estación en la que se encuentra, lo que le permite prepararse para los cambios de tiempo y elegir cuándo debe florecer para asegurar que los frutos se desarrollan sin problemas.

Pero… ¿Por qué pasa esto? ¿Cómo puede ‘contar’ la planta las horas de luz y oscuridad que hay cada día? Bien, realmente las plantas sólo detectan la oscuridad para saber la estación en la que se encuentran. Según las horas necesarias de oscuridad para que florezcan, podemos clasificar a las plantas en 4 grupos, que será necesario conocer para saber la época en la que plantar o sembrar un cultivo para que florezca en una fecha determinada, así como las horas de luz y oscuridad a programar si trabajamos en un entorno en el que añadimos luz artificial:

• Plantas de día neutro: Este tipo de plantas florecen independientemente de las horas de oscuridad, por lo que no hay que tener ninguna consideración especial con la época de siembra. Un ejemplo es el tabaco.
• Plantas de día intermedio: Necesitan que las horas de oscuridad estén entre un valor máximo y un valor mínimo. Un ejemplo es la caña de azúcar.
• Plantas de día corto: Necesitan que las horas de oscuridad sean iguales o mayores que un valor específico para cada planta. Es el caso de los crisantemos.
• Plantas de día largo: Necesitan de unas horas de oscuridad que no superen determinado valor, específico de cada especie vegetal. A este tipo pertenecen los lirios.

Este control estacional se realiza gracias a una proteína llamada ‘fitocromo‘, que se destruye rápidamente en presencia de luz diurna y se genera lentamente en todo momento. Esta característica permite que la planta sepa las horas de oscuridad que han transcurrido desde la última vez que recibió luz solar por la cantidad de fitocromo que hay en ella. La planta asocia la cantidad de fitocromo con las horas de oscuridad y… ¡Listo!, ya tenemos un mecanismo biológico para detectar las estaciones. [2]

Otro ejemplo de la influencia de las estaciones en la vida la encontramos en los ciclos sexuales de los animales que, al igual que las plantas, intentan tener descendencia durante las estaciones más cálidas o con más alimento disponible, para que a las crías les sea más fácil sobrevivir durante sus primeros meses.

Esto ocurre, por ejemplo, en el caso de los caballos. Gracias a una compleja regulación hormonal, las yeguas sólo entran en estro (días en los que pueden quedar embarazadas) en las épocas con mayor duración del día, es decir, primavera y verano. Sabiendo que la gestación en las yeguas dura unos 11-12 meses, podemos prever que las crías nacerán en primavera o verano, que son las estaciones con una mejor temperatura y mayor abundancia de alimento.

Además de las estaciones, podemos encontrar otros elementos imprescindibles para la supervivencia en el ciclo día-noche. En esta variación periódica de 24 horas tiene lugar cambios en la luz y temperatura, pero también se puede relacionar la hora del día con la presencia o ausencia de depredadores y presas en una zona concreta. Este simple hecho puede condicionar todo el estilo de vida de un ser como, por ejemplo, con los animales diurnos y nocturnos.

Un animal va a tener numerosas adaptaciones, tanto morfológicas como conductuales, para vivir en presencia de otros animales de su misma franja horaria. Así, también presentarán adaptaciones a una alta o baja intensidad de luz. Un ejemplo muy utilizado es el caso del murciélago, que ha desarrollado un sistema de ecolocalización para guiar su vuelo en ausencia de luz, o el caso de las lechuzas y búhos, que tienen la capacidad de dilatar mucho las pupilas para mejorar su visión nocturna, además de un sentido auditivo muy desarrollado, que les permite identificar a las presas por los sonidos que emiten.

Tipos de ritmos

Hasta ahora, hemos hablado de ritmos y ciclos biológicos, que permiten a los seres vivos una mejor adaptación al entorno, pero… ¿A qué llamamos ritmo? ¿Es lo mismo que un ciclo? ¿Qué tipos de ritmos hay?

Este tema ya ha sido abordado en publicaciones anteriores de este mismo medio, pero aquí va un resumen para refrescar la memoria:

Un ritmo es una variación periódica y previsible de cierto parámetro en el organismo. Al tener una duración y frecuencia determinada, nos permiten prever fenómenos biológicos. Para clasificarlos se utiliza su duración, dando lugar así a 3 tipos de ritmos:

• Ultradianos: Ritmos con una duración menor a 20 horas, que suelen estar asociados a la liberación de hormonas. Este es el caso del movimiento respiratorio, la termorregulación, el ritmo cardíaco o los ritmos mareales, que afecta a los animales y plantas acuáticas.
• Circadianos: Son aquellos cuya duración es de entre 20 y 28 horas. Son los más importantes en cuanto a los estudios sanitarios en humanos y están relacionados con la duración del ciclo día-noche. Un ejemplo es la alternancia entre sueño y vigilia en adultos.
• Infradianos: Aquellos cuya duración es superior a 28 horas. Normalmente están relacionados con la duración del año (ritmos circanuales, de 365 días) o con la duración del ciclo lunar (ritmos circalunares, de 28 días). [3]

Otra clasificación utilizada para los ritmos es aquella referida al elemento que desencadena el ritmo, dividiendo a estos en dos grupos:

• Extrínsecos: Los cambios son desencadenados por factores externos. El más importante suele ser la luz, aunque también son de vital importancia la temperatura, la humedad, los cambios estacionales, etc.
• Intrínsecos: Son iniciados por procesos internos, como la actividad contráctil basal del corazón. Las células cardiacas, si se cultivan en laboratorio, comienzan a asociarse entre ellas y a latir, generando un ritmo propio que no es controlado por factores externos.

La división entre estos grupos suele ser difícil, ya que muchos ritmos biológicos pueden estar afectados por factores tanto intrínsecos como extrínsecos. [3]

En cuanto a los ciclos, se definen como la repetición de un fenómeno en el que, transcurrido cierto tiempo, el estado del sistema o la magnitud de estudio vuelve al estado inicial. Dadas las definiciones de ciclo y de ritmo, resulta difícil distinguir entre ambos por su clara similitud. La principal diferencia entre ampos resulta ser el enfoque temporal, es decir, los ritmos tienen una duración definida, mientras que los ciclos no llevan asociado un periodo exacto para volver a alcanzar el estado inicial del sistema.

El ciclo vital de un parásito, por ejemplo, puede variar mucho su duración al depender de que se den unas condiciones determinadas o de que tenga lugar algún evento, como el contacto entre el parásito y su futuro hospedador.

El mecanismo del reloj en animales

Anteriormente se ha explicado un ejemplo de los mecanismos que tienen las plantas para modular sus ritmos biológicos, pero… ¿Hay algún análogo de este sistema en animales?

Pues sí que lo hay, pero como uno puede imaginar, son bastante más complejos que una proteína que se destruye en presencia de luz. La mayoría de los ritmos en animales se controlan desde un centro nervioso, que puede tener distintas localizaciones.

En insectos, por ejemplo, son los lóbulos ópticos los que desempeñan esta función. Los demás invertebrados tienen órganos parecidos en los ojos. Pasando a los vertebrados, encontramos una estructura llamada glándula pineal, que está presente en aves, peces, anfibios, reptiles y mamíferos. Por último, en el caso de los mamíferos, la función reguladora de los ritmos está controlada por el núcleo supraquiasmático (centro nervioso formado por unas 20.000 neuronas) además de por la glándula pineal.

Tanto la glándula pineal como el núcleo supraquiasmático se encuentran en la parte central del cerebro. La primera pertenece al epitálamo y, la segunda, al hipotálamo. Estas dos estructuras están muy cerca del nervio óptico, que les permite detectar la luz captada por los ojos. Como se puede observar, es común a todos los animales la conexión de los ojos con el órgano regulador de los ritmos. Esto se debe a que, en animales, la luz es el principal mecanismo de control de los ritmos, seguida de la temperatura.

Se han realizado numerosos experimentos para demostrar el rol del núcleo supraquiasmático en el control de los ritmos. En uno de ellos, se seleccionó a varios animales y se eliminó este órgano de control. Como resultado, los animales perdieron la regulación de los ritmos, que se volvieron aleatorios. En otro experimento se trasplantó el núcleo supraquiasmático entre especies y se observó que los ritmos que presentaba el animal eran los de la especie donadora del órgano.

En un último experimento, se recuperó la glándula pineal de pollos recién sacrificados y se cultivaron las células de dicho órgano en el laboratorio. Sorprendentemente, las células seguían los mismos ritmos que el animal antes de morir, por lo que se demostró que muchos ritmos adquiridos por los seres vivos quedan grabados en sus células, y pueden permanecer incluso tras la muerte del animal.

¿Y cómo funcionan estas estructuras en los humanos? Son muchas las hormonas y factores que intervienen en este proceso, y sería imposible abordarlos todos, pero vamos a ver uno de los ejemplos más relevantes: la liberación de melatonina según la luz que incide en los ojos.

La melatonina es una hormona secretada por la glándula pineal, encargada de inducir el sueño. Hoy en día, encontramos preparados de esta hormona o sus precursores en fármacos para combatir el insomnio. En el organismo, su máxima liberación corresponde con la ausencia de luz, preparando así a la persona para el descanso.

La regulación de la melatonina comienza en los ojos, que transforman la luz captada en impulsos nerviosos, gracias a un pigmento llamado melanopsina. Estos impulsos llegan por el nervio óptico al hipotálamo, donde son detectados por el núcleo supraquiasmático. Según la señal recibida, este puede generar una serie de impulsos que, tras pasar por una zona llamada núcleo paraventricular, excite a la glándula pineal (en el caso de haber detectado luz ténue), haciendo que secrete melatonina o inhiba la liberación de dicha hormona (cuando se detecta luz intensa). [1] [4]

Conclusión

Todos los seres vivos tienen un sistema que permite sincronizar sus ritmos internos con los sucesos del medio que les rodea. Este mecanismo permite la adaptación del organismo a una rutina, que busca facilitar su supervivencia en un ambiente determinado.

El conocimiento de estos ciclos biológicos es de vital importancia en ámbitos como la agricultura, la ganadería y la medicina, ya que condicionan procesos tan importantes como la reproducción, el desarrollo de una patología o los hábitos alimentarios.

Cada ser tiene su propio sistema de relacionarse con el entorno y, en consecuencia, modificar sus ritmos. Este mecanismo es altamente complejo en los humanos y regula procesos vitales como el sueño, siendo de vital importancia para la salud y pudiendo verse alterados en ciertas situaciones.

Artículo editado por Silvia Moreno

Bibliografía

1-García-Maldonado, G., Sánchez-Juárez, I. G., Martínez-Salazar, G. J., & Llanes-Castillo, A. (2011). Cronobiología: Correlatos básicos y médicos. Revista Médica Del Hospital General de México, 74(2), 108–114. https://www.elsevier.es/en-revista-revista-medica-del-hospital-general-325-articulo-cronobiologia-correlatos-basicos-medicos-X0185106311242397

2-Rockwell, N. C., Su, Y. S., & Lagarias, J. C. (2006). PHYTOCHOME STRUCTURE AND SIGNALING MECHANISMS. Annual Review of Plant Biology, 57, 837. https://doi.org/10.1146/ANNUREV.ARPLANT.56.032604.144208

3-15 Ejemplos de Ritmos Biológicos. (n.d.). Retrieved November 1, 2023, from https://www.ejemplos.co/15-ejemplos-de-ritmos-biologicos/

4-Allada, R., & Bass, J. (2021). Circadian Mechanisms in Medicine. The New England Journal of Medicine, 384(6), 550. https://doi.org/10.1056/NEJMRA1802337