De biorritmos, 2. La naturaleza de los relojes biológicos

Los relojes que conocemos son una maravilla de la técnica, ya sean mecánicos o electrónicos, desde el modesto reloj que controla el tiempo de nuestro horno de microondas hasta el peluco de tropecientos mil euros en la muñeca de un traficante internacional de armas. No en vano nuestro idioma, cuando queremos ensalzar la inteligencia de un determinado colectivo humano, dice que “El más tonto hace relojes”. Acostumbrados, pues, a estos logros de la técnica, nos preguntamos cuál es la naturaleza de los relojes intrínsecos de los seres vivos, y esperamos ver maquinarias moleculares o neuronales complicadas que remeden los minúsculos y maravillosos engranajes, muelles y vástagos de los relojes mecánicos. Pues bien, no es el caso. Los relojes biológicos intrínsecos corresponden, en su mayoría, a mecanismos que pueden parecer sencillos, pero que son muy difícilmente tratables desde el punto de vista matemático. A lo único que podemos aspirar, en la mayoría de los casos, es a modelarlos numéricamente mediante un ordenador.

Entramos, y debo advertirlo, en un terreno bastante abstracto y a veces de difícil comprensión. El problema es: Cómo, a partir de elementos que podemos encontrar en un organismo vivo, se pueden generar comportamientos cíclicos u oscilatorios con un determinado período. Se han descrito varios sistemas pero aquí sólo haré referencia al que al parecer es el más general: Los sistemas oscilatorios en los seres vivos se generan a partir de lazos de retroalimentación y prealimentación (en inglés, feedback y feedforward). ¿Qué demonios es eso?

Antes que nada, decir que retroalimentación y prealimentación son la base de todos los sistemas de control en su más amplio sentido, ya sea en la Ingeniería, en la Biología y en la Economía, por citar unas pocas. Empezaremos por un ejemplo: vamos conduciendo un coche alegremente, a una respetable velocidad y nos damos cuenta de repente que la velocidad es excesiva. ¿Qué hacemos? Levantamos el pie del acelerador hasta que el vehículo alcance una velocidad más moderada. Pues bien: hemos ejecutado un lazo de retroalimentación negativa. Al constatar nuestro cerebro que la velocidad es excesiva, ha ordenado al pie derecho que se levante del acelerador, con el consiguiente enlentecimiento del coche. Es decir, un exceso en la “salida” (en inglés, “output”), que es la velocidad, provoca (con el cerebro de por medio) una disminución en la “entrada” (inglés, “input”) que es la presión que nuestro pie ejerce sobre el acelerador. ¿Por qué “retroalimentación”? porque la salida del sistema (velocidad) ha controlado la entrada (presión sobre el acelerador), esto es, una acción “hacia atrás”, “retro”. ¿Por qué “negativa”? porque el efecto ha sido una disminución de la entrada.

Se considera a James Watt el inventor de la máquina de vapor. Una de las cosas que permitió el uso del vapor fue un sistema de retroalimentación negativa para la máquina. Cuando la velocidad de la máquina se hacía excesiva, el aparato de Watt abría automáticamente una válvula en la caldera de forma que disminuía la presión del vapor, y con ello la velocidad. Si, por el contrario, la máquina funcionaba lentamente, el mismo aparato se encargaba de cerrar la válvula con el consiguiente aumento de la presión de vapor y por tanto, de la velocidad. Con ello la máquina se autorregulaba. Watt dio a su aparato el nombre de “governor”, derivando el término del griego “kybernetes” que significa “piloto de una nave”. Y de ahí que llamemos “Cibernética” a la ciencia que estudia los sistemas de control en abstracto (la misma raíz griega nos sirve para los términos gobierno, gobernador, gobernación, etc.). Y esto, porque la gran mayoría de los sistemas de control están basados en la retroalimentación negativa, desde el regulador de la temperatura de nuestra lavadora hasta los sistemas de navegación que llevan a la nave “New Horizons” hacia Plutón.

Al mirar hacia nuestro propio organismo, los sistemas de retroalimentación negativa aparecen por todas partes. Por ejemplo: cuando sometemos un músculo a un estiramiento, el músculo responde contrayéndose. Gracias a ese reflejo, ejemplo de retroalimentación negativa, somos capaces de mantenernos en pie. Si dejáramos actuar a la gravedad, nuestro cuerpo caería en una actitud de flexión máxima. La gravedad, por tanto, tiende a flexionar; cuando esto tiene lugar, se estiran los músculos extensores (por ejemplo, el cuádriceps femoral y los glúteos) y por efecto del reflejo citado, completamente inconsciente, se contraen y así contrarrestan la acción de la gravedad. La secreción de muchas hormonas está gobernada por retroalimentación negativa, así como la actividad neural. No seguiré con ejemplos; están por todas partes, y lo que nos importa ahora es solamente el concepto.

Igual que hay retroalimentación negativa, también hay retroalimentación positiva; es decir, que la salida de un sistema estimula positivamente la entrada.  Si en lugar de conducir plácidamente por una carretera secundaria disfrutando del paisaje (con precaución, naturalmente) estuviéramos al volante de un Fórmula 1 en el circuito de Silverstone y viéramos que Lewis Hamilton con su Mercedes va por delante de nosotros y no queremos perder contacto, el cerebro ordenará aumentar la velocidad. El problema con la retroalimentación positiva es que genera inestabilidad en los sistemas (o un accidente). Un ejemplo: el acoplamiento que se produce cuando un receptor de televisión o radio está en las proximidades del micrófono cuya señal está precisamente recibiendo: Un chirrido insoportable que sólo se elimina bajando el volumen del receptor o bien simplemente apagándolo.

Asimismo, existe la prealimentación, cuando la señal de control se ejerce sobre algo que está más allá del sistema que estamos estudiando. Un ejemplo de esto (en concreto, prealimentación positiva) lo veremos más adelante con todo detalle. En la figura 1 tenemos una representación esquemática de todas estas cosas.

Pues bien: tanto la retroalimentación positiva como la prealimentación positiva llevan, en ocasiones, a una inestabilidad en el sistema (o se para o revienta); pero en otras ocasiones, a lo que llevan es a un comportamiento del sistema cíclico, oscilatorio, con su amplitud y su período, es decir, constituyendo un reloj. Los relojes intrínsecos que encontramos en los seres vivos nacen precisamente de sistemas con retroalimentación positiva o prealimentación positiva. ¿Cómo podemos saber cuándo ocurre lo uno (inestabilidad) y cuándo lo otro (comportamiento oscilatorio)? Analizando los sistemas desde el punto de vista matemático. Desgraciadamente la matemática de los sistemas de control es complicada y no podemos tratarla debidamente aquí. Es más, la gran mayoría de los sistemas de control (al menos los biológicos) son intratables desde el punto de vista del Análisis Matemático y tenemos que conformarnos con simularlos en un ordenador. Apelo, pues, a vuestra fe: los relojes biológicos surgen cuando hay sistemas de retroalimentación o prealimentación positivas.

El cuerpo me pide poneros ejemplos de mi propia especialidad, Bioquímica, donde encontramos en el metabolismo bastantes ejemplos de estos sistemas que producen comportamientos oscilatorios. Pero tendríamos que explicar muchos más conceptos para su comprensión. Por eso os voy a poner como ejemplo algo más intuitivo: la interacción de una población de conejos (presa) con una población de zorros (predadores). Como veremos, esto da lugar a un patrón oscilante que recibe el nombre de sistema de Lotka-Volterra, por sus descubridores.

Suponed una población de conejos con acceso ilimitado a su alimento vegetal, y que por tanto, abandonada a sí misma, estaría experimentando un crecimiento continuo. Pero si esta población coexiste con una población de zorros que se alimentan precisamente de conejos, la cosa varía. Al haber más conejos, los zorros tienen más alimento y por lo tanto su población crecerá. Al crecer la población de zorros disminuirá la de conejos, porque se los comen. Pero al disminuir la población de conejos disminuirá también la de zorros, porque éstos dispondrán de menos alimento. Al disminuir la población de zorros aumentará la de conejos y se repite indefectiblemente el ciclo. Aquí tenemos dos lazos de control: (1) una retroalimentación negativa: el aumento de zorros lleva a una disminución de los conejos; (2) una prealimentación positiva: el aumento de conejos lleva al aumento de zorros. Simulando el sistema en un ordenador, obtenemos el gráfico que aparece en la figura 2: un patrón oscilante del número de conejos y de zorros en relación al tiempo. Como el patrón es perfectamente regular, ahí tenemos un reloj biológico. En la figura 3 podemos ver el sistema conejos/zorros con la misma simbología de la figura 1.

Así, de esta misma manera, se comportan los relojes biológicos. Pero ¿Quiénes son los conejos y los zorros en nuestro organismo? En el metabolismo, reacciones sometidas a este tipo de controles pueden dar lugar a comportamientos oscilatorios. Supongamos el siguiente sistema de reacciones sucesivas H → C → Z, siendo H, C y Z productos del metabolismo; supongamos también que Z inhibe la reacción H → C y que C estimula la reacción C → Z. El sistema puede exhibir comportamiento oscilatorio de la misma manera que los conejos y los zorros. La reacción H → C sería la transformación de hierba (alimento) en conejos; la reacción C → Z, la conversión de conejos en zorros. Así tendríamos un reloj metabólico.

Si en lugar de reacciones metabólicas sustituimos conejos y zorros por neuronas que se estimulan y se inhiben según el mismo patrón, tendríamos un reloj neural.

¡Uf! creo que basta por hoy.