Un reloj para gobernarnos a todos: plantas con jet-lag

La alternancia entre día y noche, y la estacionalidad suponen cambios drásticos en las condiciones ambientales. Estos cambios continuos han moldeado en gran medida la forma de vida de los diferentes organismos de nuestro planeta, especialmente los cambios en luz y temperatura.

Nosotros tampoco nos libramos de esta alternancia de ciclos de día y noche, ya que organizamos nuestra vida diaria en torno al tiempo que marcan los relojes en nuestras paredes, muñecas o dispositivos digitales. Sin embargo, nuestras propias células ya cuentan con un reloj interno que regula de forma muy precisa muchas de las funciones fisiológicas y metabólicas que tienen lugar a lo largo del día. Este reloj interno es lo que denominamos reloj circadiano, o reloj biológico, aunque quizás este término sea confuso…

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Este no es el “reloj biológico” del que hablamos… (Fuente: H. Caldwell Tanner)

Entre las cosas que controla el reloj se encuentra nuestra capacidad de atención, la temperatura corporal, o la secreción de hormonas. En cierto modo, nos dice lo que “deberíamos” estar haciendo en cada momento. Mientras escribo esto, mis niveles de melatonina, nuestra hormona del sueño, deberían estar en su máximo del día. Pero la cafeína que he ingerido impide que mis niveles de melatonina aumenten, evitando que mi reloj me mande a dormir. Al contrario de lo que nos gustaría, muchas veces estamos al servicio de nuestro reloj, y cuando no seguimos sus “instrucciones” podemos tener problemas.

Que yo mañana me despierte a media mañana quizás no os parezca tan grave (aunque podéis decirselo a mi jefe…), pero podéis leer lo que uno de mis profesores de la facultad escribió no hace mucho sobre los ritmos biológicos y algunos de los problemas asociados a cambiar los hábitos diarios regulados por el reloj circadiano. Un ejemplo clásico es el jet lag, que en resumidas cuentas se basa en que al cambiar de zona horaria, nuestro reloj sigue actuando como si estuviéramos en la zona horaria original. Si nos movemos hacia el Oeste, nuestros niveles de melatonina aumentarán cuando aún sea de día en nuestro nueva localización, y nos entrará el sueño.

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El reloj circadiano controla muchos aspectos fisiológicos de nuestra vida diaria.(Fuente: Sleep and happiness: What is effect of sleep on happiness?)

Si nuestra especie tiene alguna característica que la hace diferente de otros animales, desde luego no es tener reloj circadiano. La inmensa mayoría de los organismos de la Tierra disponemos de un reloj que controla nuestra fisiología a lo largo del día, e incluso a lo largo de las estaciones. Pero esto es lógico si tenemos en cuenta que los cambios diarios y estacionales en luz y temperatura han ejercido fuertes presiones selectivas sobre los organismo de nuestro planeta moldeando su evolución. El responder de manera cíclica a los cambios ambientales, sin tener que esperar a que ocurran, parece ser una buena forma de gastar energía.

Lo interesante de esto es que cada grupo de organismos (animales, bacterias, plantas, etc.) presenta elementos diferentes formando el mecanismo de este reloj, pero todas estas piezas funcionan de manera similar. Todos ellos son sistemas formados por unos elementos de entrada que perciben las señales del medio como la luz, que son transmitidas a unos elementos centrales, que forman un oscilador (ya que oscila en ciclos de 24 horas), que a su vez transmite esa oscilación a múltiples elementos externos produciendo nuestros ritmos de sueño y vigilia, o los ritmos de fotosíntesis en plantas. En resumen, tenemos tres piezas: las vías de entrada, el oscilador y las vías de salida. Las vías de entrada regulan la actividad del oscilador, por eso el jet lag solo dura un tiempo, hasta que percibimos que las horas de luz no corresponden con la oscilación de nuestro reloj.

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El sistema circadiano de mamíferos con los tres tipos de elementos.(Fuente: Federación Argentina de Cardiología)

Pero, entonces ¿qué tienen de especial las plantas? Personalmente, siempre me han parecido los organismos más interesantes del planeta, por lo que nunca he necesitado explicarme a mí mismo por qué investigarlos. Sin embargo, el nivel de “rechazo” hacia cualquier campo de la biología vegetal que observaba en Salamanca entre mis propios compañeros de carrera (Biología) me hace pensar que es una pregunta que hay que contestar de manera más profunda. Los más utilitaristas aludirán a la necesidad de conocer la biología de las plantas cultivadas para poder mejorarlas y producir más en el intento de contestarla. Incluso algunos argumentarán que no les daba la media para competir en “Biomedicina”.

Las plantas son organismos incapaces de moverse, al menos a corto plazo y de manera premeditada, no pueden huir de cambios del clima, esconderse en cuevas para pasar la noche o cruzar ríos para escapar de sus depredadores. Quizás esta sea la razón por la que a mucha gente les parecen aburridas. La realidad es que estas diferencias hacen que las plantas hayan desarrollado a lo largo de la evolución formas de defenderse mucho más complejas y sofisticadas que otros organismos. Pero no solo han desarrollado múltiples formas de defensa, también han desarrollado formas de aprovechar de manera muy eficiente los recursos a su alrededor, para reproducirse o para competir con otras plantas.

¿Y su reloj qué tiene de especial? Las plantas necesitan percibir, anticiparse y responder a los cambios ambientales de forma mucho más precisa que otros organismos, y el reloj circadiano tiene un papel central en estos procesos. El reloj de las plantas permite que la maquinaria fotosintética esté ya preparada al amanecer, y que se use la energía captada para crecer durante la noche. Y es en este punto en el que me encuentro yo, intentando descubrir qué elementos del reloj deciden que las plantas tienen que crecer durante la noche.

¿Y por qué investigar esto? Mi respuesta personal es bastante simple: para conocer, para entender. Siempre he querido investigar para entender cómo funcionan las cosas, un poco como Carl Sagan escribió en El cerebro de Broca: “El entender es un tipo de éxtasis”, y no para utilizar el conocimiento con el único propósito de explotarlo. No quiero que me malinterpretéis, no es una reflexión profunda, y esta respuesta la podría aplicar a cualquier área científica ya que es mi punto de vista.

Sin embargo, esto hoy en día parece que no se puede decir, y necesitamos justificar a toda costa que el conocimiento científico tiene como objetivo principal poder ser aplicado, en este caso a producir nuevos cultivos (ya sean modificados genéticamente o por mejora convencional). Al fin y al cabo la investigación cuesta dinero, y tiene que permitir desarrollar tecnologías futura para reembolsarlo, pero quizás restringir la investigación en base a su aplicabilidad futura no sea la estrategia más acertada.

De momento, me conformaré con fascinarme con la “inteligencia” (lo pongo entre comillas por no herir los sentimientos de las plantas) con la que estos organismos tan diferentes a nosotros responden al mundo. Y por supuesto, si además se le puede sacar algún tipo de provecho, mejor. En realidad, entender el funcionamiento del reloj circadiano puede tener muchas aplicaciones, pero para mí resulta mucho más apasionante el entender que el aplicar.

P.D. Por si me preguntáis por el título: si nos llevásemos las plantas en un avión a Norteamérica, también sufrirían su propio jet-lag, pero reajustarían su reloj mucho más rápido que nosotros.

Post realizado por Jorge Hernández García.

17 comentarios

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Albareto Albareto

Pues a mi me parece muy interesante que estés investigando estas cosas, como bien dices el simple hecho de investigar por saber cosas nuevas es muy necesario, y seguro que se le encuentran mil aplicaciones en el futuro o sirve de base para otras investigaciones que sí que den resultados (económicos) más inmediatos.

El otro día leí un artículo que no sé si lo has visto pero igual te resultaba interesante: Lettuce See the Future: Japanese Farmer Builds High-Tech Indoor Veggie Factory.

Un saludo.

Felipe Felipe

La luz (<600 nm) inhibe la síntesis de melatonina en la glándula pineal, por lo que daría igual cómo cambie el uso horario, si hay luz, no hay síntesis. Tal como indicas, el oscilador "recuerda" los ritmos originales y es modulado por distintos estímulos, que producen su reajuste. Pero la melatonina no es parte del oscilador, sino uno de esos estímulos (realmente, un transductor de los ciclos luz/oscuridad). De hecho, la síntesis de melatonina es tan sensible a la luz que simplemente ir al baño de noche y encender una luz blanca nos produce un "valle" en la concentración plasmática.
Es decir, si estabas escribiendo esto de noche, con una luz blanca o sencillamente delante del monitor del ordenador, posiblemente la concentración de melatonina en tu sangre seguía tan baja como antes de anochecer, pero debido a la luz. La cafeína realmente está engañando al oscilador (también afecta a la producción de melatonina, pero su efecto es mucho menor).
La utilización de melatonina para el jet lag o para el insomnio es controvertida y no está muy claro que tenga un efecto, aunque podría ser positiva para cambios de ritmo circadiano no tanto por el tema del sueño, sino por otros efectos (aparte de ser un estupendo antioxidante).

Jorge Hernández Jorge Hernández

Muchas gracias por tu puntualización, está claro que de esto sabes mil veces más que yo. Como puedes ver, no trabajo con animales, desconozco la regulación de su aparato endocrino, y me he fiado (¿mal hecho?) de fuentes que indicaban la oscilación circadiana de los niveles de melatonina en condiciones de día largo, lo que no quiere decir que no exista una regulación directa (mucho) más fuerte por luz. Se trataba de un mero ejemplo para acercar un posible proceso rítmico a algo que la gente comprenda, disculpa mi desactualización en este tema, pero bastante tengo con mantenerme actualizado con lo mío. Un saludo.

Felipe Felipe

Qué va, un pequeño despiste en un artículo muy interesante, y hay mucho que descubrir respecto a esta hormona. Está muy bien que atraigas la atención sobre las plantas, ya que fisiológica y bioquímicamente son fascinantes. Tengo pendiente alguna revisión sobre melatonina en la que habla de su papel en las plantas (tampoco es que tenga mucha información sobre el tema, pero hace poco tuve que leer algunas cosas a cuenta de un proyecto).

Lola Rodriguez Lola Rodriguez

Muy buen artículo Jorge, y muy interesante.
Comparto tu interés por las plantas porque no son aburridas en absoluto.

Guillermo Alfonso Liendo Aguirre Guillermo Alfonso Liendo Aguirre

Las plantas siempre fueron unos de mis seres vivos favoritos !! felicitaciones por el artículo y por la manera en que expones aquellos sentimientos encontrados en palabras. soy un Alumno de pregrado aun y me parece interesante pensar en todas los mecanismos regulados por el ritmo circadiano y reloj biológico de cada organismo, y mas en plantas. Y luego de leer el post, me pregunto en qué pasa con aquellos cultivos modificados genéricamente para crecer en una estación específica? por ejemplo aquí en Perú importan semillas de lechuga de USA que pueden crecer y desarrollarse en climas muy secos y en altas temperaturas, y otras en bajas temperaturas, lechugas para inverno o para verano. Seria estupendo que comenten acerca de ello y debatan que tan cierto es, pienso que el ritmo circadiano debería influenciar algún tipo de aclimatación ya que las estaciones presentan condiciones muy marcadas en las plantas.
Gracias de antemano

Jorge Hernández Jorge Hernández

Gracias por tu comentario, Guillermo. Propones un tema muy importante para la agrícultura, pero que se escapa de mi conocimiento, ya que desconozco qué diferencias concretas hay entre variedades de invierno o verano (u otoño y primavera). Las diferencias entre variedades estacionales de un mismo tipo de cultivo muy probablemente se deban a cambios en los mecanismos de resistencia y tolerancia a estreses como frío o calor, y probablemente no estén mediadas por cambios en el reloj (aunque pueden existir).

¿Por qué me inclino a afirmar que el reloj no está implicado? El reloj lo que hace es preveer algo que ha “sentido” previamente, y las plantas anuales (como es la lechuga y la mayoría de hortalizas) no necesitan responder de esta manera, ya que no han vivido una estación fría/cálida previa, y probablemente no vivan más de una a lo largo de su ciclo vital. El reloj permite responder de forma cíclica, pero para muchas de estas plantas un ciclo de un año es toda su vida (y muchas veces mucho más que toda su vida), por lo que poder responder a un “segundo” ciclo es innecesario.

Sin embargo, aunque en especies anuales y bianuales puede no existir un mecanismo de este tipo, el reloj estacional es realmente importante en plantas leñosas, y quizás sea interesante estudiar la interacción del reloj en las variedades de frutales con floración adelantada o atrasada, por poner un ejemplo. A los árboles, que viven decenas, cientos y miles de años, les debe haber resultado muy cómodo preveer la llegada de las estaciones para ir preparando sus defensas frente al frío o el calor, o incluso frente a plagas, migraciones de herbívoros, u otros procesos estacionales. Si te informas sobre este tema, espero que vuelvas a comentárnoslo, ya que es algo increible.

Un saludo.

Noel Noel

Un gran artículo, Jorge. En Biotecnología nos intentan vender la necesidad de “aplicar” los conocimientos biológicos para conseguir beneficios para la sociedad y, aunque ha de ser así por la propia definición de biotecnología, en textos como éstos me doy cuenta que eso a veces (recalco lo de a veces) es contraproducente, puesto que por esa razón no nos enseñan conceptos quizás muy básicos, y es por ello que te quería formular un par de preguntas. Comentas que la inmensa mayoría de los organismos de la Tierra disponemos de un reloj que controla nuestra fisiología… ¿Me podrías nombrar algún organismo que no lo tenga y por qué crees que no “le es necesario”? Insisto, un gran post aunque, conociéndote, no esperaba menos de ti!

Jorge Hernández Jorge Hernández

En general, te puedo decir que se trata de microorganismos procariotas que viven en ambientes en los que los ciclos día/luz son irrelevantes y las temperaturas son estables a nivel diario. Esto coincide concretamente con bacterias de las profundidades terrestres y oceánicas, pero también con parásitas. Como es lógico, no es necesario responder a un cambio que no se produce.

Además, aparentemente, a fecha de hoy no existen evidencias de que arquea alguna presente reloj, ni siquiera aquellas que viven en superficies en las que si existe alternancia día/noche. Pero este es un tema aún abierto.

Si te interesa, échale un ojo a esta revisión:
http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/22835791

Juan R Juan R

Más que interesante el artículo. Pero aludiendo a esa necesidad de “conocer” y “aprender” que demostráis, creo que siendo biólogo, la respuesta a Felipe sobre la melatonina no me convence.
Igual que todos estáis perdiendo parte del artículo en explicar que la ciencia básica y las plantas son muy importantes, y que no todo tiene que ser ciencia aplicada. Estaría bien que no se cayera en el tópico de soy de letras, y soy de ciencias y por eso escribo mal. Si estás trabajando con reloj circadiano de plantas, conocer el de animales y sus mecanismos te dará un conocimiento y un marco fisiológico mayor, tanto para no cometer pequeños errores en un artículo de divulgación como para una fluida discusión de resultados en el trabajo de máster, de tesis o artículo.
Muchas veces, el aislamiento ese de “las plantas no son importantes” empieza por el propio investigador que no mira más allá de la planta. Y esta frase, extiéndela al que hace biología molecular y no ve más allá de su proteína o su gen, o el que hace química orgánica y no ve más allá de los anillos con enlaces dobles… Es decir, estáis defendiendo aquí una manera de aprender y formarse que tendría que verse reflejada precisamente en vuestro trabajo.
En cualquier caso, más que interesante el trabajo, me quedo con ganas de que eliminases las referencias a “pobres plantas y su investigación” y aumentases los datos y las referencias sobre el proceso fisiológico.
saludos.

Jorge Hernández Jorge Hernández

Buenos días, Juan. Gracias por tu comentario.

Me pregunto si estás sugiriendo que el post está mal escrito por un error conceptual puntual. No solo eso, creo que también indicas que carezco de conocimiento previo sobre ciertos temas, y no creo que me conozcas para afirmar tal cosa (además lo haces en plural, pero este es un post personal).

La melatonina se ha relacionado con los ritmos biológicos animales durante décadas, especialmente con los ciclos de vigilia/sueño, que es hasta donde llegaba mi conocimiento. Creo que comprendes lo difícil que es mantenerse actualizado y ahondar sobre muchas áreas de la ciencia simultáneamente cuando ya es difícil seguir el ritmo del avance del conocimiento sobre la propia. Sin embargo, esto no quiere decir que no conozca o tenga ciertas bases sobre los procesos moleculares, metabólicos, o fisiológicos que ocurren en otras especies y grupos.

Pero he contado con la suerte de que Felipe ha leido el post, alguien que trabaja o al menos tiene un gran conocimiento sobre la melatonina, y nos lo ha aportado, porque al fin y al cabo de esto creo que va la cosa, de saber y contar, y creo que esto es uno de los pilares del conocimiento en la actualidad. Felipe nos ha permitido saber que la melatonina es parte de una de las vías de entrada del reloj circadiano animal, regula el oscilador al ser degradado por luz, y estabilizado en oscuridad, lo mismo que ocurre en plantas con fitocromos y otras moléculas. Se trata por tanto de un regulador del reloj, y no de algo regulado por el reloj.

Por otro lado, independientemente de mi conocimiento sobre los procesos fisiológicos que regula el reloj en animales, hay que indicar que el reloj de plantas y el de animales solo comparten el nombre, y esa estructura de entrada-oscilador-salida. Los procesos que regula en plantas son totalmente diferentes a los que se regulan en animales (muchos ni existen en el grupo contrario), pero no solo eso, los elementos que forman parte del oscilador y de las entradas y salidas no comparten ancestro común, por lo que ni siquiera nos permite hacer inferencias evolutivas en este sentido. Pero sí que nos permite hacer inferencias en tanto a como surgen los circuitos regulatorios circadianos a lo largo de la evolución, ya que la estructura de como interactúan los elementos es idéntica en ambos grupos (así como en procariotas).

No vamos a caer en el error de defender la investigación en plantas poniéndola por encima de la investigación de otros organismos. Pero el problema es que aunque nosotros sepamos que las plantas son importantes, así como cada especie de organismo viva, esto no está reflejado en el resto de la comunidad científica que investiga en biología. No creo, ni comprendo, que asumas que no veo más allá de las plantas, ya que no es cierto.

En cualquier caso, todo lo que quería contar sobre los procesos del reloj lo he contado, ya que no quería entrar en procesos concretos más que con el que trabajo (crecimiento rítmico). No tenía ningún límite de palabras, y la “reivindicación” no me ha quitado sitio para este tema.

Un saludo.

Juan R Juan R

Hola Jorge,
gracias a ti por la contestación. Verás, la crítica hacia la reivindicación está más encaminada a que me gustaría leer más y discutir (científicamente) más sobre vuestro trabajo, que leer la queja de cada uno de vosotros sobre el olvidado reino vegetal en ciencia (que yo no considero ni olvidado, justo al contrario tan interesante como otros campos). Solo eso.
Por otro lado, la idea de nombrar el comentario de Felipe y referirte a los conocimientos en biología general y en el terreno de los ritmos biológicos (sin separar animal /vegetal) va también encaminada a hacerte ver que en un máster de ciencia, además de aprender a divulgar, hay que aprender a discutir en ciencia. La discusión científica es una de las fuentes de conocimiento de nuestro trabajo, la capacidad de dar diferentes marcos de interpretación al resultado, es decir, poder enmarcar tus resultados en la fisiología vegetal concreta esta bien, pero poderlo abrir al proceso circadiano general que sucede en la naturaleza le da mayor perspectiva y quizás repercusión. En ese sentido, el cuarto párrafo de tu contestación está perfecto, y de eso se trataba… si hubieras extendido ese cuarto párrafo con más datos y rebatido mejor, chapeau!
Espero que cuando un día tengas una revisión de artículo y los revisores pidan o propongan una interpretación diferente, puedas entender que no es “personal” y que se trata de la discusión científica. La pregunta en ciencia siempre es pertinente, la duda y la propuesta también, siempre que se hagan correctamente, claro. Mientras más conocimiento tengas de tu tema en particular y de la biología en general, más recursos tendrás para esa discusión. Y además, en la propia discusión científica se generan más ideas para continuar los proyectos. En nuestro sistema educativo siempre se considera que preguntar es con mala intención, para dejarte mal etc.. pero sucede que en ciencia se suele preguntar por puro interés en el trabajo, para saber más y para resolver dudas.
Solo proponía otro marco para la discusión científica de tus datos y de camino contribuir al proceso de formación que estáis teniendo en el máster. Es decir, si todos os decimos aquí que todo es bonito, posiblemente habrá que dudar de la veracidad de los comentarios. Si este ejercicio sirve para que os expongáis a crítica y discusión quizás el ejercicio vale doble.

Perdona si el comentario inicial te pareció en mal tono. Espero que el día que te hagan una crítica dura (de verdad) en tu trabajo científico (y no dudes que llegará) recuerdes que puede ser una posibilidad de aprender y mejorar.

Saludos y suerte.

Jorge Hernández Jorge Hernández

Hola Juan, gracias por tu explicación. No puedo estar más de acuerdo en que la discusión y la crítica es una parte esencial de la ciencia.

Verás, el problema que veo es que en ningún momento se ha planteado discusión científica que pudiera rebatirse en comentario alguno de este post. Felipe ha aportado información, señalando un error claramente irrebatible, por lo que lo único que puedo hacer es reconocer el error, y si pudiera corregirlo.

Por otro lado, este post (al menos su parte “divulgativa”) iba encaminado a un público más amplio, sin conocimientos científicos, o al menos no acostumbrados a tratar este tipo de temas. Por ello, es evidente que no profundizo en procesos fisiológicos o moleculares del reloj en plantas, y tampoco hablo de en qué trabajo yo concretamente, ya que mi objetivo inicial era que gente como “mi tía” entendiera qué es el reloj circadiano, y que las plantas también tienen uno. En resumen, introducir a la gente en el área al que ahora mismo dedico mi tiempo, y no aburrir a nadie.

Aunque probablemente ya lo hayas leído, te recomiendo el post de mi compañero de máster y laboratorio (https://jmmulet.naukas.com/2014/07/1...as-plantas/), que sí que se centra en el trabajo de nuestro laboratorio (y de su proyecto en concreto), que es lo que veo que más echas en falta en el mío. Mi trabajo se sale un poco de la norma en del resto de proyectos del laboratorio, pero trato de relacionar el reloj con el crecimiento de las plantas, en cualquier caso estoy abierto a cualquier pregunta sobre él, y si alguien me pide que le explique mi proyecto en concreto no tendré problema, pero como digo, el post no tenía este objetivo.

Un saludo.

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