Si observaras a una persona flotando en un lago turbio, podrías asumir que está de pie sobre un fondo poco profundo. Puede parecer tranquila y estar hablándote, pero bajo la superficie hay muchos movimientos de patadas y brazadas. Esto se asemeja a la homeostasis, un término amplio que se refiere al mantenimiento de la estabilidad interna en un entorno dinámico. Aquí analizaremos descubrimientos recientes que muestran la complejidad de los sistemas necesarios para que los organismos sigan funcionando mientras el entorno cambia.
Aliento de rana
Consideremos el caso de una rana que mantiene su reflejo respiratorio mientras baja la temperatura. Al igual que nosotros, debe mantener la entrada de oxígeno y la salida de CO2, pero sin endotermia, la respiración podría detenerse por completo con el frío o acelerarse demasiado cuando sube la temperatura. ¿Qué mantiene a la rana respirando felizmente?
En Current Biology, Tara A. Janes y Richard Kinkead revisan un estudio de Cannon y Santin, también publicado en Current Biology. Los investigadores identificaron neuronas, señales y receptores específicos que intervienen en el mantenimiento del ritmo. Janes y Kinkead comentan que la homeostasis respiratoria es todo menos aburrida:
Las redes respiratorias, como la mayoría de las redes, buscan mantener una estabilidad relativa en su nivel de actividad a lo largo del tiempo. Tradicionalmente, esto se ha descrito en términos de mecanismos dependientes de la actividad, donde las neuronas responden a su propio nivel de actividad. A nivel celular, esto suele implicar respuestas a la señalización intracelular de calcio que ocurren proporcionalmente a la actividad. Las neuronas también pueden estabilizar la función de la red mediante el ajuste fino de la densidad de canales iónicos, la intensidad sináptica y la excitabilidad intrínseca. [Énfasis añadido].
Antes del trabajo de Cannon y Santin, afirman, gran parte del conocimiento sobre las redes homeostáticas provenía de estudios con roedores que se benefician de la endotermia. ¿Cómo mantienen las ranas su ritmo respiratorio autónomo sin esa ventaja? Aún más complejo, ¿cómo mantienen la ingesta de oxígeno durante la metamorfosis de renacuajo a adulto?
Un principio fundamental es que, a medida que la temperatura corporal disminuye, también lo hacen el metabolismo y el impulso respiratorio. Sorprendentemente, las ranas sobreviven y prosperan frente a estas fluctuaciones ambientales manteniendo activas las redes que generan el ritmo respiratorio para la respiración. Entonces, ¿cómo lo hacen?
Al alterar la temperatura en preparaciones de tronco encefálico y médula espinal de ranas toro que pueden sobrevivir in vitro durante un día, Cannon y Santin, en un ingenioso conjunto de experimentos, descubrieron un novedoso mecanismo, impulsado por el entorno, que regula la actividad de la red, capaz de generar cambios compensatorios en la función respiratoria en respuesta a la exposición al frío.
En primer lugar, determinaron que la temperatura por sí sola actúa como desencadenante de ciertos cambios a nivel celular. A 10 °C, la actividad motora cesó, pero se hiperexcitó al volver la temperatura a 22 °C. «Esto sugiere que la exposición al frío provoca una mayor excitabilidad de la red en un intento por restablecer la función motora respiratoria», afirman los autores. Pero hay mucho más en juego: la producción de noradrenalina en el locus coeruleus (LC), «un grupo compacto y altamente homogéneo de neuronas ubicado rostralmente a las redes respiratorias», que desencadena cambios en los canales iónicos de calcio.
Los experimentos farmacológicos posteriores demostraron que, en respuesta a cambios agudos de temperatura, la inhibición de la bomba electrogénica de Na+ sirve como un paso de transducción crítico, que luego activa la compensación de la red a través de la señalización del receptor β-adrenérgico.
Así que, para seguir respirando cuando hace frío, una rana depende de las respuestas coordinadas de sensores de temperatura, hormonas, neuronas LC, circuitos neuronales, bombas de sodio, receptores, iones de calcio y músculos. La investigación no lo explica todo, pero…
Los autores proponen ideas novedosas que sin duda merecen mayor exploración. Una que nos llamó la atención es la sugerencia de que los circuitos respiratorios centrales cambian de la detección de CO₂/pH a la detección de temperatura como una fuente importante de impulso para respirar a bajas temperaturas. De esta manera, la sensibilidad a la temperatura permite que la red restablezca su actividad en condiciones donde podría ser necesaria, a la vez que conserva la capacidad de la red para silenciarse cuando es adaptativa.
Hablando como respiradores, Janes y Kinkead concluyen: «A pesar de nuestro sesgo respiratorio, reconocemos humildemente que los circuitos neuronales regulan otros procesos fisiológicos importantes más allá de la respiración».
Control de tráfico de sinapsis
En mi artículo de 2024 sobre la sinapsis, compartí mi desconcierto ante la rapidez y fiabilidad de estos transductores de señales nanoscópicos a pesar de las múltiples transiciones en medios portadores de información. Un nuevo artículo acrecienta mi desconcierto al afirmar que las sinapsis generan orden a partir de la aleatoriedad. (Para más información sobre cómo la vida genera orden a partir del caos, consulte este artículo).
Krisha Aghi et al., en un artículo publicado en Current Biology sobre las moscas de la fruta, concluyen que «la distribución espacial de las sinapsis facilitadoras y depresoras es aleatoria» y, sin embargo, las neuronas mantienen una transmisión estable. ¿Cómo?
La fuerza sináptica puede variar considerablemente entre sinapsis. El análisis cuántico óptico en las sinapsis de neuronas motoras glutamatérgicas de Drosophila muestra que la plasticidad a corto plazo también varía considerablemente entre sinapsis, incluso en aquellas formadas por una sola neurona motora. Las sinapsis fuertes y débiles se distribuyen aleatoriamente en la terminal nerviosa de la neurona motora, al igual que las sinapsis facilitadoras y depresoras. Si bien las sinapsis presentan una fuerza basal muy heterogénea a bajas frecuencias de disparo del potencial de acción y experimentan una plasticidad variable al aumentar dicha frecuencia, la distribución general de la fuerza entre las sinapsis se mantiene notablemente constante debido al equilibrio entre el número de sinapsis que facilitan frente a las que deprimen, su grado de plasticidad y el peso sináptico basal. La constancia en la liberación del transmisor puede garantizar la robustez ante condiciones de comportamiento cambiantes.
La robustez de la señal transmitida, a pesar de las variaciones individuales en la plasticidad sináptica, permite a las moscas de la fruta volar, pero este método también nos permite vivir y movernos. La forma en que este mecanismo de «método en la locura» es capaz de funcionar automáticamente en el sistema nervioso, desde el bebé en el útero hasta el atleta y la persona mayor, debe causarnos asombro.
Aclarando la confusión del reloj
Imaginemos tener que seguir dos relojes que funcionan a ritmos diferentes. Sería como intentar tocar el tambor o la trompeta en la Sinfonía n.º 4 de Charles Ives, quien en un movimiento requería que dos directores agitaran sus batutas a distintos tempos.
Gracias a nuestra mente y cerebros grandes, los humanos podemos rastrear simultáneamente los ciclos lunares, solares y orbitales con la ayuda de la experiencia, el lenguaje, los gráficos y las computadoras. Pero ¿cómo lo hace un crustáceo? He aquí un ejemplo de homeostasis del ciclo vital. Si un crustáceo pierde el ritmo, podría desecarse en las rocas o dejar de reproducirse.
Se desconoce cómo las especies marinas gestionan los ciclos diurnos y de mareas. Un nuevo estudio en crustáceos identifica células cerebrales específicas que presentan ritmos de expresión génica de 24 o 12,4 horas, lo que proporciona un mecanismo para rastrear múltiples ciclos ambientales.
Así empiezan Victoria Lewis y Patrick Emery en un artículo publicado en el mismo número de Current Biology. Afirman que el reloj circadiano (ciclo día/noche) se comprende bastante bien:
La acumulación nuclear y la posterior degradación del complejo represor dependen de quinasas y fosfatasas que ajustan el período del marcapasos circadiano a unas 24 horas (h). El reloj circadiano se sincroniza principalmente con el ciclo de luz-oscuridad (LD), pero también responde al ciclo de temperatura y a otras señales relevantes. Con el esclarecimiento de los mecanismos moleculares que subyacen a los relojes circadianos, surge una pregunta clave: ¿existen mecanismos similares implicados en otros ritmos biológicos?
Efectivamente. Comentan una investigación publicada en el mismo número por Oliphant et al., quienes «presentan evidencia que respalda la idea de que el mecanismo del reloj circadiano se reestructura para permitir que los organismos marinos se adapten a los ciclos de mareas mediante neuronas especializadas».
El nuevo estudio ayuda a delimitar tres hipótesis sobre cómo los crustáceos marinos pueden mantener dos ritmos: el ritmo circadiano y el ritmo circamareal. Pero ¿cómo interactúan las proteínas resultantes al ser reguladas por diferentes neuronas? «El grado de solapamiento mecanístico entre ambos relojes», comentan, «aún está por determinar». De hecho, «aún se necesita mucho trabajo para comprender cómo se sincronizan y generan los ritmos circamareales». Sin embargo, la humilde pulga de arena se las arregla sin pensar.
Mucho más que la homeostasis
Estos tres estudios ilustran la complejidad de la homeostasis, pero se podrían extraer miles más. Otros ejemplos recientes que he recopilado incluyen, en resumen:
- Un «sitio de contacto mitocondrial y sistema organizador de crestas» que mantiene intactas las membranas en estas centrales celulares (Current Biology).
- Un sistema para prevenir la aglomeración en los tejidos epiteliales, que de otro modo podría causar daño y pérdida celular (Northwestern University Medicine).
- El control espacio-temporal de la mitosis por la quinasa dependiente de ciclina (CDK) mantiene el orden durante los numerosos y rápidos cambios en la célula (Nature).
- Una relación entre el ciclo celular, el reloj circadiano y el sentido del gusto puede hacer que la comida tenga un sabor diferente en distintos momentos del día (PNAS).
- Un nuevo orgánulo celular, denominado hemifusoma, que «podría transformar fundamentalmente nuestra comprensión de cómo las células reciclan su contenido y clasifican y dirigen la carga intracelular» (University of Virginia School of Medicine).
La homeostasis es un campo tremendamente variado y complejo, propicio para descubrimientos desde una perspectiva de diseño. Añade una dimensión temporal esencial a la complejidad irreducible, revelando las interacciones de múltiples componentes del complejo intracelular que trabajan en conjunto para mantener la estabilidad de un organismo en un entorno cambiante. Así, mientras admiramos el rostro sonriente de la nadadora sobre el agua, no debemos ignorar el vigoroso movimiento de sus piernas y brazos bajo la superficie que la mantienen a flote.
Artículo publicado originalmente por David Coppedge en Science & Culture Today
Crédito de la imagen destacada: Dr. Raju Kasambe, CC BY-SA 4.0
