Un Nobel molt botànic

Hui ens detenim en el Nobel de Fisiologia o Medicina 2017, concedit fa unes setmanes als investigadors Jeffrey C. Hall, Michael Rosbash i Michael W. Young. El treball d’aquests incansables científics ha desvetllat els mecanismes moleculars que existeixen darrere de la rítmica dels éssers vius, i que coneixem com a ritmes biològics o circadiaris. Aquest ritme en els comportaments o expressions fisiològiques dels organismes és universal, apareix en les formes de vida més complexes i, tret d’algunes excepcions (arqueobacteris) també en les més senzilles i primitives. Avui recorrerem un camí presidit per com les plantes van marcar els inicis i la demostració inequívoca de l’existència dels rellotges biològics i els seus ritmes circadiaris, donant forma a una de les més apassionants àrees de la ciència contemporània: la cronobiologia.

Explorant els ritmes vegetals

Estudiant el món vegetal, ràpidament percebem l’existència d’aquests ritmes biològics. Trobem plantes que obrin els seus estomes durant el dia, amb la finalitat de fixar el CO2 atmosfèric, i que els tanquen durant la nit. Unes altres repleguen les seues flors a la nit per protegir les sensibles estructures reproductives que contenen i així resguardar-les de les inclemències nocturnes (per a ser desplegades durant el dia). En aquest mateix sentit, durant el dia, el midó s’acumula en les fulles per a ser mobilitzat en la nit i garantir un subministrament de sucres suficient que garantisca el correcte creixement durant el període nocturn, quan ha cessat la fotosíntesi.

Lliri de plàtan. Imatge: Pixabay.

En les plantes, aquestes oscil·lacions o ritmes fisiològics i de comportament es repeteixen de forma periòdica al compàs del dia i la nit, i són la manifestació de l’existència d’un mecanisme cel·lular que és capaç de marcar el temps: el rellotge biològic o circadiari. Aquest rellotge és el responsable de generar el ritme al que ha d’ocórrer cada procés. Ara bé, la particularitat d’aquest rellotge intern (endogen) resideix en que és autònom. Sap per si mateix quan arriba el dia i quan fosqueja, i no necessita d’estímuls ambientals externs, o almenys per al seu funcionament més bàsic.

Els rellotges circadiaris s’avancen als esdeveniments ambientals

El procés evolutiu ha aconseguit internalitzar en la cèl·lula vegetal, en els seus mecanismes moleculars, el cicle llum-foscor (dia/nit), i en absència d’aquests estímuls ambientals, el rellotge puntualment marca la seua hora i informa a cada cèl·lula, teixit i estructura de l’hora biològica. Aquesta autonomia i capacitat de mesurar el temps és un extraordinari avantatge evolutiu, que permet avançar-se als canvis ambientals i optimitzar tots els recursos de la planta. És a dir, per a quan arriba la llum del dia, la planta ja disposa de tots els enzims necessaris per a afrontar l’activitat fotosintètica.

L’absència de demora permet un estalvi energètic i de recursos que resulta essencial per a la supervivència. Potser el cicle dia-foscor siga un dels de major influència en el procés evolutiu; ha permès categoritzar les espècies en diürnes i nocturnes, permetent d’aquesta manera que ocupen el mateix espai mitjançant comportament diferents. Evidentment, les plantes no escapen a aquesta qüestió i les implicacions ecològiques garanteixen el manteniment de la vida en el planeta.

Mimosa pudica, el primer organisme amb què es demostra el rellotge biològic

Ara anem a viatjar en el temps, per a detenir-nos en el moment just en què les plantes eren emprades de forma extensa com a organismes models d’experimentació en els laboratoris. Sobre elles, i durant moltes dècades, els investigadors van esclarir els mecanismes biològics més universals. Amb aquesta perspectiva, no és d’estranyar que les primeres observacions documentades dels ritmes biològics (circadiaris) foren advertides i estudiades en plantes.

Mimosa pudica. Imatge d’Eric Hunt. CC BY-SA 4.0-3.0-2.5-2.0-1.0. Wikimedia.

En 1729, Jean Dortous de Mairan va presentar, en la Real Acadèmia de Ciències de París, el primer estudi que evidenciava com per a la planta Mimosa pudica el ritme d’obertura i tancament de les seues fulles obeïa a un mecanisme intern que funcionava amb la precisió d’un rellotge. El treball experimental de De Mairan va consistir a sotmetre a plantes de Mimosa a condicions de foscor permanent (durant diversos dies). En absència de llum, les plantes seguien obrint i tancant les seues fulles, amb el mateix patró ritme amb el qual ho farien si estigueren sotmeses a l’exposició natural del cicle dia-nit. S’insinuava així, per primera vegada, que el comportament rítmic de l’obertura i tancament de fulles era controlat per un mecanisme endogen en la planta. És a dir, no és la resposta simple a un estímul ambiental (llum-foscor) sobre la planta.

Quasi trenta anys més tard, i com una autèntica revolució conceptual en biologia, els treballs de De Mairan van ser completats i refinats per altres autors com Duhamel du Monceau i Zinn. Aquests investigadors van excloure la possibilitat que foren les variacions de temperatura les responsables del moviment foliar en Mimosa. En aquest sentit, De Marian no havia aconseguit, entre les condicions experimentals, un ambient tèrmic constant, i quedava la sospita que aquest moviment foliar en Mimosa, estaguera provocat pels canvis de temperatura. A aquestes troballes hem d’afegir les decisives aportacions de l’investigador Alphonse Pyramus de Candolle (1832) en determinar que aquesta màquina de temps cel·lular tenia un període de funcionament lliure d’aproximadament 22-23hores, sensiblement inferior a la durada del dia.

Arabidopsis thaliana, model vegetal d’estudi més comú. Imatge: Alberto Salguero Quiles. CC BY-SA 3.0. Wikimedia.

Ja en 1880, Charles Darwin es va unir a aquest increïble debat científic apostant pel caràcter heretable d’aquests trets (encara que aquesta qüestió no va poder ser confirmada fins a 1930). S’apropaven importants canvis de paradigma en les bases de les ciències biològiques. En aquest context científic, es descobreix el nucli cel·lular treballant sobre cèl·lules d’orquídies, es desenvolupa la teoria cel·lular i es demostra que els virus són agents patògens i queda ben definida l’homeòstasi. La biologia moderna havia començat.

Van haver de passar quasi vint anys perquè foren descoberts i estudiats els primers ritmes circadiaris en invertebrats. Així, en 1894 van ser descrits per Kiesel fenòmens de pigmentació en ulls d’artròpodes que seguien un patró circadiari (Plusia gamma). I haurem d’esperar fins a 1922 perquè Richter descobrisca en ratolins els primers ritmes circadiaris en mamífers.

És evident, doncs, la transcendència que han tingut les plantes com a organisme model d’experimentació en la ciència moderna. Podem afirmar, sense por d’equivocar-nos, que gràcies a elles s’han aconseguit els coneixements més rellevants que vertebren la ciència del segle XX.

Neurospora crassa i la replicació nocturna del seu material genètic

Van ser els fongs i, en concret, Neurospora crassa, qui va oferir la pista a principis dels anys seixanta (quan encara eren considerats plantes) de l’origen evolutiu d’aquests rellotges biològics i els seus ritmes. Els investigadors van trobar en aquest fong filamentós el vestigi més antic d’un rellotge biològic. Aquesta màquina de temps pautava la replicació de l’ADN perquè tinguera lloc durant la nit (foscor) evitant així l’efecte mutagènic de la radiació ultraviolada (UV) que fa 3000 milions d’anys era especialment abundant.

Hifas de Neurospora crassa amb septum i porus. Imatge: Roland Gromes. CC BY-SA 3.0. Wikimedia.

Tradicionalment, sempre havia existit una reticència respecte a la solidesa dels assajos que habitualment es dissenyaven en els estudis sobre ritmicitat circadiària. Les objeccions van desaparèixer tenint com a protagonista a aquest mateix fong (Neurospora). En 1990 va ser dissenyat un assaig espacial acollit en el transbordador Columbia (STS-32) i es va poder comprovar que els ritmes circadiaris coneguts en Neurospora es mantenien en la normalitat, davant de camps magnètics pròxims a zero. En aquest sentit, alguns investigadors pensaven que el paper dels camps magnètics terrestres podria ser l’estímul extern sobre el qual se sostenien els ritmes circadiaris, però l’experiment va demostrar que no era així.

Un futur cronobiològic

Ja sabem de la importància d’aquests rellotges circadiaris per a la gran majoria de formes de vida. En els últims anys han sigut sorprenents les troballes sobre la salut humana o les seues implicacions ecològiques. Són molts els autors que veuen en la capacitat adaptativa dels rellotges biològics una passarel·la que permetrà a molts organismes superar els canvis ambientals associats al canvi climàtic. Una de les àrees de treball que més interès desperta entre els investigadors i fisiòlegs vegetals és la possibilitat d’emprar els rellotges com a eina d’optimització de producció vegetal, lluita contra plagues i sequeres. El model d’experimentació actual que els investigadors utilitzen en biologia vegetal és la planta Arabidopsis thaliana, de la qual anem coneixent molts aspectes fisiològics, moleculars i genètics relacionats amb el seu cicle vital i rellotge circadiari, tot i que encara és un camí per descobrir.