Ritmos biológicos

La floración de las plantas, la reproducción estacional de los animales o la migración de las aves son fenómenos bien conocidos por todos nosotros. Inicialmente fueron considerados como meras respuestas pasivas al ambiente. De acuerdo con esta creencia, que permaneció inalterada durante siglos, el medio ambiente imponía su rutina a los seres vivos. Un matemático y astrónomo francés cambió esta creencia con un simple experimento casero.

Papamoscas cerrojillo (Ficedula hypoleuca)

En 1729, Jean-Jacques Dortous de Mairan sabía que sus plantas de Mimosa plegaban las hojas al caer la luz del día, tal y como hacían cuando las tocaba con el dedo. Se preguntó qué ocurriría si la planta fuera privada de luz solar. Cogió dos de sus mimosas y las metió en un armario oscuro. Al mediodía siguiente, al abrir el armario vio que las hojas permanecían completamente abiertas, y a la caída del sol las hojas se cerraron puntualmente, tal y como ocurría con las otras plantas que seguían expuestas a la luz en la mesa de su escritorio. Concluyó que tenían que ser capaces de sentir el sol de alguna manera, aun sin verlo, y de esta forma saber la hora del día. Este simple experimento se considera la primera demostración de la existencia de ciclos periódicos internos (endógenos) en las plantas y terminó con las teorías que afirmaban que los ritmos biológicos eran simples respuestas pasivas al ambiente.

Reacción al contacto de las hojas de mimosa (Mimosa pudica)

Hoy tenemos toda una disciplina científica que estudia este tipo de fenómenos cíclicos en los seres vivos. Se conoce como cronobiología y estudia la organización temporal de los seres vivos, sus alteraciones y los mecanismos implicados en su regulación. Su eje central se basa en la existencia de “relojes biológicos” internos en los organismos, desde el nivel molecular al nivel anatómico, que hacen posible la ejecución de una actividad en un momento concreto.

Si lo miramos con cierto detalle, la vida es un fenómeno rítmico. La actividad de cualquier ser vivo se manifiesta siempre con una variación regular que se produce en un determinado momento del día o de la noche, diariamente y con carácter fijo, bajo la influencia de determinados factores. Al analizar cualquier actividad vital en relación con el tiempo, como por ejemplo la alimentación, la reproducción o la alternancia entre sueño y vigilia, se observan unos períodos en que los organismos están activos y otros en que, por el contrario, están en reposo.

Los ritmos biológicos son una respuesta adaptativa de la evolución frente a la periodicidad inmutable de ciertas variables ambientales, principalmente la sucesión día/noche. Por eso, los ritmos biológicos más estudiados son los ritmos denominados circadianos, que presentan una periodicidad de 24 horas y van asociados a ciclo luz-oscuridad (día-noche), como el ritmo sueño/vigilia. Existen otros ritmos, como los circalunares (siguen un ciclo de 28 días, cercano al mes lunar), circanuales (cada 365 días, asociado a las estaciones del año, como la caída de las hojas en los árboles de hoja caduca o el periodo de celo en los animales).

Estas variaciones rítmicas y predecibles están reguladas por “relojes biológicos” que son innatos, se mantienen en condiciones ambientales constantes y son sincronizables, es decir, ajustan la hora mediante señales que provienen del ambiente: la luz, la alimentación, la temperatura, etc.

Ubicación de la epífisis (glándula pineal) en el encéfalo de las aves

Las estructuras que gobiernan los ritmos circadianos se sitúan en zonas muy definidas dentro del organismo y varían según los animales: en moluscos es muy frecuentes encontrarlos en la retina; en artrópodos en los glóbulos ópticos, y en las aves en la glándula pineal. Esta glándula, también llamada epífisis, está presente en casi todas las especies de vertebrados a excepción de los mixinos, anfioxos y lampreas, unos cordados marinos primitivos que no la tienen. En las aves se localiza entre los hemisferios cerebrales y el cerebelo, y tiene relación directa con los ritmos circadianos, el control reproductivo y la fotorrecepción. Su forma se asemeja a una pequeña piña de pino (de ahí su nombre). Segrega la hormona melatonina de un modo sincronizado con las fases de luz y oscuridad, de forma que funciona como un “reloj biológico”.

La importancia que la glándula pineal en la regulación de las actividades ligadas al fotoperiodo se pone particularmente de manifiesto en aquellas aves cuyo hábitat se encuentra cerca de los polos terrestres. En la mayoría de estas regiones geográficas, se producen cambios ambientales extremos de forma periódica. En respuesta a estos cambios, los animales han desarrollado estrategias adaptativas para realizar adecuadamente una serie de funciones tales, como el apareamiento, el nacimiento, la migración, la termorregulación, los cambios en el color del plumaje, etc.

En 2017, los genetistas estadounidenses Jeffrey Hall, Michael Rosbash y Michael  Young obtuvieron el Premio Nobel de Medicina por descubrir los mecanismos moleculares que regulan el ritmo circadiano.​ La cronobiología alcanzó su madurez como disciplina científica. En opinión de Rosbash, antes de que la atmósfera tuviera su composición actual, el giro regular de la Tierra sobre su eje hizo que el ciclo de luz/oscuridad influyera en la evolución de los seres vivos desde los inicios de la vida. Los organismos se adaptaron a los cambios que influyen en actividades biológicas tan dispares como los ciclos de sueño, la liberación de hormonas, el comportamiento alimenticio o la temperatura del cuerpo. La comunidad científica sabe ahora que estos mecanismos moleculares se conservaron a lo largo de la evolución, tanto en los seres unicelulares como en organismos multicelulares, plantas y animales.

Rosbash y Hall comenzaron a colaborar en la Universidad de Brandeis (Boston) hace más de 30 años para estudiar el ritmo circadiano de la mosca Drosophila. Fruto de sus investigaciones descubrieron el gen del ritmo biológico de esta mosca en 1984 (period gene), en una época en la que la relación entre la genética y el reloj biológico no era una idea que la comunidad científica aceptara fácilmente.

En experimentos posteriores lograron aislar una proteína (PER) cuyos niveles oscilan durante un ciclo de 24 horas: aumentan durante la noche y disminuyen durante el día. Descubrieron que cuando aumentan los niveles de PER, se desactiva el gen period y el reloj biológico marcha más lento. Por el contrario, si disminuyen, el reloj corre más rápido. Esta proteína está presente en todos los animales, incluidos los humanos. Esta fue la primera que se descubrió pero hay otras seis u ocho proteínas que participan en el ritmo circadiano. Todas interactúan entre sí, trabajan en equipo.

Es bien conocida la relación existente entre los viajes de las aves migratorias y la duración de las horas de sol diarias. Cuando éstos se acortan o alargan y se registra un cambio en la temperatura ambiental, se despierta el instinto viajero en estas aves. En general, el viaje primaveral (prenupcial) se ve favorecido por vientos del sur, temperaturas en aumento y baja presión atmosférica, en tanto que el otoñal (postnupcial) encuentra su óptimo con vientos del norte, temperaturas en descenso e incremento de la presión atmosférica.

La migración de las aves es un fenómeno instintivo gobernado por complejos mecanismos neurofisiológicos. Estos mecanismos se activan por factores externos que estimulan la hipófisis, una glándula endocrina situada en la base del cráneo, no lejos de la pineal. La hipófisis es sensible a la luz solar. Cuando los días van incrementando el número de horas de luz, las aves perciben este estímulo a través de los ojos y redirigen la información hacia la glándula. Se activa entonces la liberación de hormonas que desencadenan un estado de inquietud migratoria en el animal. Los ornitólogos usan el término alemán zugunruhe, una palabra compuesta de zug (movimiento) y unruhe (ansiedad o inquietud). Las aves se preparan así para el difícil viaje migratorio. Aparecen conductas que favorecen el gregarismo, así como cambios en los hábitos alimenticios que conducen a una sobrealimentación (hiperfagia) que duplica el peso corporal en algunos casos. Las aves se hacen con un depósito extra de grasa que irá siendo consumido en los largos desplazamientos y repuesto en las paradas de descanso.

Los desplazamientos de las aves de sus áreas de cría a las de invernada se deben, sobre todo, a una escasez paulatina de alimento, unido en la mayoría de ocasiones a un descenso de las temperaturas. Este nuevo escenario provoca la desaparición de insectos y pequeños invertebrados, así como la ausencia de semillas, granos y plantas. Como las aves que migran también manifiestan zugunruhe incluso si están enjauladas, los biólogos han sido capaces de estudiar el control endocrino y los sistemas de orientación bajo condiciones de laboratorio. En un artículo pasado ya comenté los experimentos de Gustav Kramer, Franz Sauer y Eleonore Sauer con estorninos y currucas.

Pareja de papamoscas cerrojillo

Aquellos experimentos clásicos de mediados del siglo XX abrieron la vía a toda una línea de investigación sobre orientación  de aves migratorias, primero, y sobre ritmos migratorios después. En 1981, el ornitólogo alemán Eberhard Gwinner capturó crías de papamoscas cerrojillo (Ficedula hypoleuca) recién nacidos de sus nidos y los trasladó a su laboratorio donde fueron observados durante casi un año. Midió su actividad en jaulas equipadas con sensores de detección de movimiento y estudió ciertas pautas como la muda y el crecimiento de los órganos reproductivos como signos de su ciclo anual normal. Estos pájaros pasan el invierno en África y regresan a Europa en primavera. El momento de comenzar el viaje es vital para garantizar que las aves aprovechen al máximo la disponibilidad de orugas, su alimento básico. Cuando llegaron las fechas en las que los papamoscas silvestres emprendían la migración, los capturados y enjaulados por Gwinner mostraban una gran inquietud migratoria por las noches (no olvidemos que son migrantes nocturnos). También aparecieron otros signos conductuales y fisiológicos asociados con la migración y la reproducción. Esto llevó a la conclusión de que estas aves tienen un reloj interno que desencadena estos comportamientos en respuesta a las señales ambientales.

Barbara Helm

21 años después, Gwinner y la bióloga Barbara Helm replicaron el experimento. Si asumimos que el cambio climático hace que la primavera adelante sus fechas de aparición, parecía una buena idea repetir los experimentos clásicos. Así que, en 2002, Helm y Gwinner aprovechando las jaulas y la mayoría de los dispositivos de medición originales, volvieron a analizar el comportamiento migratorio de los papamoscas. Esto les permitió comparar dos generaciones de papamoscas separadas dos décadas en el tiempo. Desafortunadamente, Gwinner falleció poco después de que se completara el experimento. El laboratorio se desmanteló y los resultados del trabajo quedaron en suspenso.

En 2019, Barbara Helm retomó el análisis de datos pendiente y publicó sus resultados en la revista Current Biology. Su hipótesis era que los cambios serían más profundos en torno a la migración de primavera (prenupcial) ya que el cambio climático afecta más a esta estación. Y eso fue lo que ocurrió, el final de la muda invernal y el comienzo de la inquietud migratoria prenupcial adelantaron sus fechas 9,3 días, al igual que el crecimiento de los órganos reproductivos. En cambio, los cambios asociados con la migración de otoño se retrasaron levemente. Los resultados sugieren que el reloj circanual ha sido alterado.

Principales acontecimientos migratorios en el ciclo anual del papamoscas. Modificado de Barbara Helm, Evolutionary Response to Climate Change in Migratory Pied Flycatchers

Helm quiso saber si sus hallazgos también eran extensibles a las aves en libertad. Supo de la existencia de dos aficionados a la observación de aves, Dieter y Ute Hoffmann, que habían seguido de cerca a los papamoscas desde 1973. Vivían a unos 100 kilómetros del lugar donde ella capturó sus crías, en un paisaje similar, y tenían 46 años de observaciones sobre fechas reproductivas. Las comparaciones mostraron una gran similitud entre los resultados de laboratorio y los obtenidos en el campo. Los papamoscas salvajes adelantaron la puesta 11 días durante el mismo período de tiempo frente a los 9 días que lo hicieron los cautivos.

Pareja de herrerillos (izquierda) y carboneros (derecha)

En palabras de Helm “la buena noticia es que hay más potencial de adaptación de lo que pensábamos anteriormente”. La mala es que “el adelanto en la llegada de los papamoscas puede aumentar la competencia con otros pájaros que tienen patrones de alimentación similares”. En efecto, ciertos estudios han mostrado que el ajuste fenológico al cambio climático de los papamoscas se ve cada vez más dificultado por la competencia con especies residentes de carboneros (Parus major) y herrerillos (Cyanistes caeruleus) que comparten áreas de cría en Europa. Otro efecto colateral del calentamiento global que sufre nuestro planeta Tierra.

José Antonio López Isarría