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Ciencia

Bajo el yugo de Cronos

Un equipo comprueba la diversidad de los ritmos que organizan la vida de los animales

MIRIAN MARQUES / USP

El colémbolo Folsomia: oviposición y muda de piel regularesMIRIAN MARQUES / USP

Hubo una época en la que, durante cuatro meses seguidos – ni pensar en descansar durante los fines de semana o los feriados -, un grupo de biólogos del Museo de Zoología de la Universidad de São Paulo (USP) siguió de cerca día tras día el crecimiento y la reproducción de colémbolos, insectos primitivos sin ojos ni pigmentación, que tienen menos de un milímetro de largo y habitan las regiones profundas de las cavernas. En turnos de trabajo, los investigadores perdieron la cuenta de las noches que pasaron en vela o apenas con un sueño leve sobre una colchoneta estirada en un rincón de la sala, ya que cada ocho horas era necesario anotar lo que sucedía en cada uno de los 486 frascos, cada uno conteniendo tan solo un insecto. Hubo momentos de incomodidad también, cuando siguieron el día a día de abejas solitarias de la especie Tetraglossula anthracina, en los campos anegadizos del interior paulista, o el desarrollo del mosquito anofeles, el transmisor del paludismo, en este caso en el Bosque Atlántico del estado de Paraná.

Las centenas de páginas de anotaciones atestiguan que se debe considerar la existencia de una compleja organización temporal para comprender el funcionamiento de las actividades cotidianas de los seres vivos, tales como la alimentación, el sueño, el descanso y el trabajo de una manera general. Con el refuerzo de datos extras, obtenidos con las hormigas cortadoras (Ata sexdens) y las abejas sociales sin aguijón (Frieseomelitta doederleini), las especies actualmente en estudio, el grupo coordinado por Mirian David Marques descubrió que esa organización temporal implica no solamente un reloj biológico, como se pensaba, sino también – y por lo menos – otros dos tipos de relojes. De todos, el más conocido es el circadiano – de una duración aproximada de 24 horas, que es regido por la alternancia entre claro y oscuro y coordina, por ejemplo, el sueño de los seres humanos. Pero también existen los ultradianos, que duran menos de 20 horas, y rigen por ejemplo los latidos cardíacos y los ritmos respiratorios, y los infradianos, que superan las 28 horas, como ocurre con la muda de piel de algunos insectos, que se produce en períodos variables entre dos días y un año.

“La tendencia era considerar el circadiano como una especie de reloj único”, comenta Mirian. Su trabajo con ritmos biológicos, iniciado hace 18 años, ganó en 2000 la adhesión de un grupo de físicos y geólogos que ayudaron a interpretar el comportamiento de los animales. Uno de los resultados del trabajo conjunto es un nuevo modelo matemático que explica los ritmos infradianos, publicado en noviembre de 2000 en el Journal of Theoretical Biology. “La consistencia y la belleza de los proyectos residen precisamente en el diálogo constante con otros grupos”, dice la investigadora.

El equipo, si por un lado rompió el monopolio del ritmo circadiano, por otro reafirmó la importancia de esa forma de organización temporal de los organismos. El circadiano sorprendió al mostrar que forma parte de la vida de los grillos de las cavernas Strinatia brevipennis – al estar siempre al oscuro, parecía que no precisasen un reloj de ese tipo – y cómo es precoz en la vida humana. Un estudio publicado en febrero en Biological Rhythm Research, que contó con la colaboración del equipo de la USP, comprueba la manifestación del circadiano en bebés prematuros: al contrario de lo que se imaginaba, ya que los bebés aún no se relacionan con lo claro y lo oscuro, la investigación mostró una variación de la temperatura de los recién nacidos que se repite en cada ciclo de aproximadamente 24 horas – un indicio evidente de registro del circadiano.

¿Cómo explicar esto? Según Mirian, existe una especie de memoria o registro primitivo del circadiano en casi todos los seres vivos, como una especie de herencia de los ancestros más remotos de cada especie. Ya se sabía que el control del ritmo biológico está asociado a los genesper (de period) , identificados en los años 70, y a otros, como el tim (timeless) y elcry (cryptochrome) , descubiertos hace apenas algunos años – juntos, formando lo que se denomina como genoma temporal.

Mirian amplía el debate: más allá de los relojes biológicos de los seres vivos, la naturaleza tiene un ritmo de funcionamiento. “Todos los ciclos, actuando de manera armoniosa, aseguran la interacción de los organismos con el medio en que viven”, dice. El ciclo claro y oscuro es una referencia importante para promover esta armonía, al indicar el momento de comer, de despertar y de dormir. Los trabajos de la USP están ayudando a ampliar los horizontes de la cronobiología, el área que estudia los ciclos biológicos, al mostrar que otros elementos cíclicos, tales como la disponibilidad de alimento, las alternancias entre caliente y frío y húmedo y seco, la reproducción y las relaciones sociales pueden ayudar a ajustar las agujas de la vida.

“Yo quería abrir nuevos horizontes”, confiesa Mirian. En 1987, tras concluir su posdoctorado en Estados Unidos, la investigadora inauguró el Laboratorio de Cronobiología del Museo de Zoología de la USP. De entrada decidió estudiar sistemas biológicos que se salieran de los modelos clásicos consagrados – ratones y ratas, algas, drosófilas y mariposas -, siempre estudiados solamente en laboratorio. El tiempo mostró que el desafío era mayor de lo que pensaba.

En 1993, la tesis de doctorado de Miriam Gimenes, una de las alumnas de Mirian Marques, inauguró una nueva etapa en la cronobiología: probablemente, fue el primer estudio en el área desarrollado en ambiente natural, lejos de los laboratorios. Miriam Gimenes trabajó con las abejas solitarias del género Tetraglossula anthracina en su propio hábitat: los campos anegadizos cercanos a las ciudades de Campos do Jordão, en la Sierra da Mantiqueira, y de Mairinque, también en el interior paulista. Los sitios fueron seleccionados por su idéntica latitud. Era una forma de garantizar la semejanza entre las variaciones anuales del parámetro claro y oscuro.

Esas abejas buscan exclusivamente a la Ludwigia elegans , una flor amarilla encontrada en los campos anegadizos. Bien temprano, al rayar el sol, antes aún de que las flores de la Ludwigia se abran, el insecto aparece, ayuda a la flor abrirse y junta el polen, y luego el néctar. Una vez terminado su trabajo, desaparece. Sólo resurge al día siguiente, exactamente en el mismo horario. Se forma así un ciclo biológico accionado por la variación entre oscuro y claro – el rayar del día -, pero con la importante participación de la disponibilidad de alimento, que hasta ahora no había sido valorada. La Tetraglossula percibe que en todo los comienzos de las mañanas encuentra alimento en abundancia – un néctar denso, rico en azúcares y aminoácidos. Por la tarde aún hay luminosidad, pero el insecto desaparece porque recolectó todo lo que precisaba, y además, difícilmente encontraría más alimento adecuado a sus necesidades ese día.

La evaluación del comportamiento del mosquito del género anofeles, un insecto de hábitos nocturnos y responsable por la transmisión de la malaria o paludismo, reservaba un desafío mayor. Al fin y al cabo, estaban en juego distintos ritmos biológicos: el del parásito, el del hospedador y del propio transmisor de la enfermedad. No fue fácil separar esas variables. El trabajo de campo demandó cuatro meses de observaciones, entre octubre de 1995 y enero de 1996, en las laderas de la Sierra do Marumbi, 6 kilómetros al norte de Morretes, en el estado de Paraná.

Con sumo cuidado, para ellos mismos no contraer malaria, los investigadores concluyeron que, en la fase adulta, el reloj biológico del mosquito está directamente ligado a los ciclos lunares: durante el cuarto menguante, la población del insecto se vuelve cerca de cinco veces mayor. En contrapartida, en el estadio de larva, el anofeles puede seguir diferentes ritmos de desarrollo, ya que es una especie oportunista, que vive en aguas acumuladas en bromelias. Cuando el insecto encuentra un ambiente propicio y atrayente, su crecimiento se acelera, sin que esto implique problemas metabólicos o fisiológicos para la especie. En momentos adversos, cuando el anofeles se encuentra en locales secos o a temperaturas bajas, por ejemplo, su desarrollo se retrasa, también sin ocasionarle perjuicios al mosquito.

Los secretos de las cavernas
Los colémbolos Folsomia candida, insectos que habitan las profundidades de las cavernas – y que son los mayores responsables de las noches sin dormir de los biólogos -, generaron otras dudas. Se creía que esos bichitos, considerados primitivos – sin ojos ni pigmentación – vivirían completamente desregulados, en una especie de caos temporal, ya que no tendrían manera de contar con las referencias de claro o de oscuro. Pero no es así. Los biólogos de la USP no identificaron ningún indicio de un ritmo circadiano activo, pero detectaron otros dos ciclos muy rígidos: el de oviposición, cada siete días, y el de muda de cutícula (piel), cada tres días y medio.

Pero era necesario confirmar los resultados, fundamentados en la observación de los animales en salas oscuras en el laboratorio, que simulan su ambiente natural. La cronobiología dispone desde los años 60 de un método de trabajo que resulta en un gráfico denominado curva de respuesta de fase, que mapea el funcionamiento del ritmo circadiano. El método funciona con base a estímulos que adelantan o atrasan el reloj biológico. Si una gallina, por ejemplo, duerme a las 17 horas y enseguida es despertada con la luz de un reflector, se levanta y comienza a picotear, como hace siempre. Una hora después, está durmiendo nuevamente. Su cerebro registra la alteración y hace que la gallina, al día siguiente, solamente se duerma a las 18 horas. Cuando se repiten, esas interferencias indican, por medio de un gráfico, qué fue lo que ocurrió durante las casi 24 horas.

Las investigadoras aplicaron ese método al colémbolo, estimulado por medio de la variación de temperatura. Confirmaron, primeramente, la ausencia del ritmo circadiano. Descubrieron también que esa metodología no era eficiente para ese tipo de situación, pues la repuesta a los estímulos, evaluados mediante el cambio de cutícula y durante la oviposición, no eran simultáneos. Conclusión: era necesario construir otro abordaje matemático que diera cuenta también de los ritmos infradianos, ya en esa época evidentes, pero todavía poco explicados.Fue entonces cuando Mirian solicitó la ayuda de los físicos. A través de una alumna de doctorado, Gisele Akemi Oda, llegó a Iberê Caldas, del Instituto de Física (IF) de la USP.

Caldas, coordinador de un proyecto temático sobre sistemas caóticos (lea en Pesquisa FAPESP nº 65) y co-director de Gisele, observó atentamente las series numéricas del equipo del museo – anotaciones y gráficos sobre el ritmo de las actividades cotidianas de los animales, coleccionadas durante diez años – y los intereses científicos se sumaron de inmediato, con base en el principio físico de la oscilación. “Entre una ola causada por una piedra arrojada al agua y la siguiente, de una segunda piedra, existe una interacción que no es aleatoria”, enseña Mirian. “El mismo razonamiento vale para los relojes biológicos.”

Juntos, los investigadores del Museo de Zoología y del Instituto de Física crearon un modelo gráfico que detecta las respuestas dadas ante un mismo estímulo, las organiza matemáticamente y produce un retrato de un conjunto de fenómenos, de manera abarcadora y articulada. Gisele concluyó su doctorado y rápidamente publicó un artículo sobre el nuevo método de evaluación de los ritmos infradianos junto con Caldas y Mirian, en el año 2000, en el Journal of Theoretical Biology.

Terremotos
Pero el modelo no se mostró capaz de explicar el ritmo biológico del grillo Strinatia brevipennis, objeto de la tesis de otra alumna de Mirian, Sonia Hoenen. Considerado una especie que efectúa la transición de la zona oscura a la clara, ya que habita espacios abiertos de cavernas de la región del Valle do Ribeira, entre los estados de São Paulo y Paraná, el Strinatia es intensamente pigmentado y no emite sonidos. En laboratorio, era mantenido en jaulas con paredes hechas de películas transparentes de acetato, que vibraban de acuerdo al movimiento de los grillos. Una aguja, puesta en contacto con cada una de las cuatro paredes de la jaula, indicaba cuándo el animal estaba parado y cuándo en actividad. El problema es que la cantidad de datos era tan grande – decenas de páginas tan solo para los grillos – que no se sabía más a ciencia cierta cuáles informaciones eran importantes y cómo podrían interpretarse. La respuesta, esta vez, surgió de la sismología.

El geólogo alemán Martin Schimmel, actualmente en el Instituto de Ciencias de la Tierra Jaume Almera, España, hacía su posdoctorado en el Instituto de Astronomía, Geofísica y Ciencias Atmosféricas (IAG) de la USP, cuando escuchó hablar por primera vez de los Strinatia. El investigador había desarrollado una manera de diferenciar dos tipos de ondas sísmicas: las generadas en el interior de la Tierra, que pueden provocar terremotos, y las que no representan ningún peligro. Invitado por la bióloga, Schimmel decidió emplear el mismo método para interpretar de manera adecuada los registros de los biólogos. Un día, le telefoneó y le preguntó si ella sabía qué hacían los grillos de las cavernas cada 24 horas. Ella exultó al ver que el geólogo había conseguido separar los movimientos importantes de los irrelevantes y detectado el ciclo circadiano en esos animales, que cada 24 horas presentan sueño, hambre, en fin, una actividad biológica más intensa.

“Es una información antiquísima, a la cual los biólogos denominan característica relictual, probablemente remanente de los ancestros del animal”, explica la investigadora, que cuenta con colaboradores también en universidades de Inglaterra, Alemania, Canadá y Argentina. El próximo desafío que se impuso es descubrir la plasticidad de los relojes biológicos – hasta qué punto pueden ser comprimidos o estirados sin perder sus propiedades. Mirian ya sabe que la propia naturaleza opera con los organismos como un director de orquesta. “Desafiar al director”, dice, “siempre acaba en desafinación, y esto a veces es fatal.”

El Proyecto
Ritmos de Actividades de Insectos. Instalación de una Unidad con Condiciones Ambientales Constantes
Modalidad
Línea regular de auxilio a la investigación
Coordinadora
Mirian David Marques – USP
Inversión
R$ 20.034,65

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