Muchos procesos en la naturaleza son cíclicos, es decir se repiten cada cierto tiempo: los ciclos de sueño y vigilia, las épocas o momentos de alimentación, la floración de las plantas, las migraciones animales y del plankton en el océano, la reproducción de muchas especies, los ciclos menstruales… Algunos están coordinados para repetirse a lo largo de un año, según las estaciones por ejemplo, otros son mensuales y otros son diarios. Hay ciclos más cortos o más largos que estos. Los ciclos diarios suelen ser dependientes de la luz y de la temperatura a lo largo del día, factores que controlan muchas actividades en los organismos, sin ir más lejos la abertura de los estomas en muchas plantas desérticas solo se produce de noche, en contradicción con plantas que viven en otros ambientes menos extremos en calor y más húmedos. Muchas de estas reacciones son una simple respuesta al ambiente, no hay un «reloj interno» que marque cuándo se debe activar o detener algo, es el ambiente el que directamente «ordena» o produce la señal desencadenante.
Internamente las células también utilizan relojes internos para coordinar procesos metabólicos y estructurales, se puede rastrear esta recurrencia o periodicidad biológica hasta el ADN y la expresión de distintos genes (u otros procesos de expresión genética) que regulan distintos procesos y que se producen aunque no exista la influencia de una señal inductora exterior. Pero todos los organismos vivos reaccionan a miles de señales de su medio, muchas de ellas las tiene grabadas y de forma automática activa los mecanismos previstos cuando se presenta el impulso exterior. Un ejemplo podría ser un radiolario que atrapa la pequeña célula de un alga en el océano: al detectar su presencia mueve sus «brazos» para comérsela, y una vez hecho esto activa los mecanismos para digerirla, distribuir sus nutrientes, expulsar los restos… No es algo que repita cada cierto tiempo, es una respuesta directa al hecho de detectar y atrapar su alimento. Cualquier proceso biológico es una respuesta a algún factor ambiental, normalmente programada para llevarse a cabo mediante la interacción de muchas moléculas tejidos y órganos.
Los animales, las plantas y seres unicelulares consiguen adaptarse a los ritmos que marca su modo de vida sin depender directamente de señales exteriores, y son capaces de anticipar lo que deben de hacer en el momento o la época mejor, gracias a sus ritmos endógenos. Algunos de estos ciclos tienen una finalidad de supervivencia muy clara, por ejemplo las migraciones de aves o de mamíferos, los animales que hibernan para resistir el frío o estivan para resistir el calor y la sequedad extrema, la abertura nocturna de los estomas en las plantas de los desiertos, o las fases de latencia de muchas semillas o esporas bacterianas, por nombrar solo unos pocos ejemplos. Otros, como los ciclos de sueño y vigilia, no está nada claro qué utilidad podrían tener.
Un caso claro de ritmo endógeno es el del corazón, que puede seguir latiendo incluso aislado del cuerpo hasta agotar su fuente de energía o que disminuya su temperatura. Esto es porque algunas células del corazón generan los impulsos eléctricos a intervalos concretos de tiempo, aunque ese sistema se puede ver modificado por el sistema nervioso autónomo y por la influencia de hormonas como la adrenalina o el cortisol entre otras muchas. Pero esas células del corazón son el «marcapasos» endógeno y están programadas para emitir impulsos cada x tiempo. Estamos hablando del nodo sinoauricular ubicado en la aurícula derecha. El impulso generado en esta zona se transmite al resto de miocitos del corazón (células del músculo cardíaco) a través de uniones especiales entre otras células que forman caminos o vías que lo recorren. El impulso hace que las células se contraigan, y vuelven a su estado de relajación cuando este ha pasado, esto marca las fases de diástole (cuando atraviesa las aurículas) y sístole (cuando se contraen los ventrículos y la sangre pasa a las arterias pulmonar y aorta en caso de mamíferos por ejemplo).
En el corazón hay unas célulan que activan o desactivan una respuesta en menos de un segundo en caso de los seres humanos (el ritmo cardíaco medio en humanos es de 70 pulsaciones/minuto). Es un ejemplo de cómo unas células pueden ser responsables de una actividad alternante, el ciclo cardíaco. Pero el corazón funciona con un mecanismo independiente del organismo, aunque el organismo pueda influir en este sistema. Hay otras respuestas que afectan al organismo entero y es a estas a las que se llama instintos. Muchos de los instintos son comportamientos aprendidos que han quedado grabados en la especie y que se llevan a cabo sea cíclicamente cada «x» tiempo o cuando se presenta una señal (por ejemplo amenazante) y habría que distinguirlo de un reflejo como apartar la mano de una llama, que también es una respuesta programada, pero solo ocurre si se acerca la mano: los instintos forman parte de la vida del organismo y no solo dependen de situaciones muy concretas que podrían no ocurrir. Hemos puesto incluso la vida en estos instintos, y todos ellos tienen la función de ayudar a la especie a sobrevivir para escapar por ejemplo del frío o del calor extremo, de depredadores etc…
Uno de los hechos más importantes de este tipo ocurre en los océanos cada día. En el mar hay una zona bien iluminada por el Sol durante el día llamada zona epipelágica, que puede llegar a los 200 metros. Pero a mayor profundidad la luz va siendo absorbida en distintas longitudes de onda hasta que ya no hay suficiente para la fotosíntesis. Desde ahí hasta que la luz se extingue por completo alrededor de los 1000 metros, está la zona mesopelágica. Lo que sucede es que una cantidad impresionante de organismos que viven en la zona mesopelágica, se trasladan hacia la superficie durante la noche, y vuelven antes del amanecer a zonas más profundas. Estamos hablando de miles y miles de especies distintas y de mucha cantidad (durante un tiempo, los sónares confundían esta capa viva con el fondo). El motivo de esto se debe sobretodo a los animales (incluyendo los unicelulares) que se alimentan de los fotosintéticos que son los que abundan donde hay luz. Las cianobacterias, algas planktónicas y demás, se acumulan en la superficie iluminada. Pero los que se alimentan de ellos (pequeños crustáceos, rotíferos, radiolarios, larvas… sería una locura ponerlos todos) y que son capaces de nadar evitan la superficie durante el día. Esto es un ritmo que tienen marcado para evitar precisamente el momento y lugar donde podrían ser capturados en masa (la superficie por el día). Por esto solo suben por la noche. Los predadores de éstos les siguen y se unen a esta migración diaria incluyendo pequeños peces, y con estos les siguen los peces mayores, calamares… Se dice que solamente este subir y bajar por parte de los pequeños crustáceos, casi invisibles a simple vista, es el «pulso del océano».
Es un tema demasiado amplio por eso prefiero centrarme solo en ritmos que siguen la duración de un día, pero las migraciones de aves insectos y muchos mamíferos también es muy interesante y le dedicaré también un post pronto a los ciclos reproductivos en muchas especies que, incluyendo la humana, guardan bastantes enigmas. Pero me voy a saltar esto y hablar del otro gran ciclo circadiano: el de sueño y vigilia.
Que se sepa, todos los mamíferos y todas las aves duermen, y esto ha sido visto también con frecuencia en reptiles, peces y anfibios. Es quizá uno de los mayores misterios para la ciencia hoy en día, al menos en lo biológico. Por ejemplo un ser humano que haya vivido 80 años, habrá pasado 27 durmiendo, un tercio de su tiempo de vida. ¿Por qué es tan importante, por qué si estamos mucho tiempo sin dormir tenemos gravísimos efectos de alteración sensorial, dolor, alucinaciones y hasta podemos entrar en el coma alrededor de las dos semanas sin dormir? Casi todos los vertebrados duermen de una u otra forma, los murciélagos colgados boca abajo. En muchos animales acuáticos (delfines, ballenas, peces etc…) se da un tipo de letargo en el que solo una mitad del cerebro entra en ese estado, mientras la otra permanece alerta y consciente. Los cetáceos respiran en la superficie por lo que no podrían dormir en profundidad mucho tiempo, su respiración es voluntaria. Los peces mantienen una mitad alerta para detectar predadores por ejemplo.
Parece que el cerebro necesita pasar por esa etapa de apagón sensorial en la que la consciencia se vuelve hacia dentro y se producen unos cambios en la actividad cerebral, en muchas especies de vertebrados se distingue un sueño de ondas lentas, donde la actividad eléctrica de las neuronas parece sincronizarse, y intervalos de una fase llamara REM (Movimiento Ocular Rápido en inglés) que se caracteriza por cambios fisiológicos muy importantes. En humanos, mientras en el sueño de ondas lentas el ritmo cardíaco y la respiración se hacen más lentas y se conserva el tono muscular (y hay movimiento) en la fase REM las pulsaciones aumentan, desaparece el tono muscular y lo único que se mueve son los ojos debajo de los párpados: se considera que la fase REM está ligada a los sueños.
Este ciclo de sueño vigilia, que incluye estilos de vida muy diferentes, está muy generalizado entre los vertebrados y también debiera obedecer a motivos de supervivencia. Los animales no suelen estar activos permanentemente, ni siquiera aquellos que necesitan un movimiento perpetuo como los tiburones, que también duermen. Las fases de inactividad se han sincronizado con los momentos en que a la especie le conviene estar más activa, así hay animales más activos por la noche, ya sea por motivos de captura de presas, para evitar la temperatura excesiva del día etc… y otros activos durante el día, hay especies que son activas durante el amanecer o crepusculares. Estas fases están reguladas de forma química, y concretamente hay un órgano, la llamada glándula pineal, que es clave en el proceso de fotorrecepción y en la inducción del sueño. En los vertebrados esta glándula, que está dentro de lo que se conoce como diencéfalo, una parte del sistema nervioso más primitiva que el cerebro propiamente dicho, tiene fotorreceptores, células que son capaces de detectar la luz del medio exterior (en reptiles incluso una parte del cráneo es sustituida por escamas endurecidas y transparentes, por donde la luz incide en la glándula pineal). En los mamíferos la glándula ha perdido esos receptores, pero recibe información de ótro grupo de células vinculados con la retina, esa capa de nuestros ojos que transforma la luz ambiental en impulsos eléctricos. Existe una vía de neuronas que parte de la retina (el nervio óptico), se cruza en el quiasma óptico y envía informacion al núcleo supraquiasmático (NSQ), justo encima del quiasma. El NSQ envía a su vez informacion a la glándula pineal, siempre mediante conexiones neuronales, y esto induce la producción de la hormona melatonina. La secreción de melatonina se puede considerar el marcapasos de los vertebrados ya que no solo es sensible a la diferencia entre el día y la noche (la luz inhibe su secreción) sino que detecta el cambio de fotoperiodo durante el año (en invierno las noches son más largas, fuera de la región ecuatorial). Está detrás del comportamiento estacional y diario de muchas especies, no solo en el sueño, sino que coordina la reproducción, el comportamiento, el crecimiento del pelo o la coloración de camuflaje de muchas especies.
Para Mí Son Enigmas 
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