Científicos japoneses han descubierto cómo el cuerpo humano mantiene sus ritmos circadianos de 24 horas incluso cuando aumenta la temperatura, revelando que las formas de onda genética se distorsionan sistemáticamente para compensar los efectos del calor en los procesos biológicos.
La investigación liderada por Shingo Gibo y publicada en PLoS Computational Biology utilizó métodos avanzados de física teórica para analizar cómo los relojes biológicos mantienen su estabilidad temporal.
Los ritmos circadianos controlan nuestros ciclos de sueño-vigilia y son fundamentales para la salud, pero enfrentan un problema básico: aunque la mayoría de reacciones bioquímicas se aceleran con el calor, el período circadiano debe mantenerse constante en aproximadamente 24 horas.
Este fenómeno, conocido como compensación de temperatura, ha sido un misterio científico durante décadas. Los investigadores aplicaron el método de grupos de renormalización, una técnica de física cuántica, al modelo matemático de Goodwin que simula los relojes biológicos.
Los resultados mostraron que cuando aumenta la temperatura, las ondas que describen la actividad genética circadiana deben distorsionarse más para mantener el período estable. Específicamente, la fase decreciente de las oscilaciones proteicas se alarga con temperaturas más altas.
"La forma de onda de la dinámica genética debería estar más distorsionada que una onda sinusoidal a mayor temperatura cuando el período circadiano es estable", explican los autores sobre este mecanismo fundamental.
Para validar sus predicciones teóricas, analizaron datos experimentales de moscas Drosophila y ratones. En ambos casos, confirmaron que las formas de onda genética se vuelven significativamente más distorsionadas a temperaturas elevadas, exactamente como predecía su modelo matemático.
El estudio también reveló una consecuencia inesperada: cuando las formas de onda se distorsionan para compensar la temperatura, se vuelve más difícil sincronizar los ritmos circadianos con los ciclos de luz-oscuridad ambientales.
Esta descoberta explica por qué los organismos pueden tener dificultades para ajustar sus relojes biológicos durante olas de calor extremo o cambios estacionales drásticos de temperatura. El rango de frecuencias que permite la sincronización se estrecha cuando aumenta la distorsión de las ondas genéticas.
Los investigadores probaron su teoría en múltiples modelos oscilatorios, incluyendo sistemas de Lotka-Volterra y van der Pol, confirmando que la correlación entre período y distorsión es un principio universal en sistemas biológicos oscilatorios.
Las implicaciones van más allá de la cronobiología básica. La investigación podría ayudar a comprender mejor trastornos del sueño como el síndrome de fase avanzada o retrasada, que están relacionados con alteraciones en el período circadiano.
Los hallazgos también tienen relevancia para el cambio climático, ya que el calentamiento global podría afectar cómo los ecosistemas mantienen sus ritmos biológicos. Los científicos sugieren que las variaciones estacionales de temperatura pueden alterar tanto la forma de onda genética como la facilidad de sincronización con ciclos naturales.
Esta investigación representa la primera aplicación del método de grupos de renormalización a problemas de ritmos circadianos, abriendo nuevas posibilidades para comprender matemáticamente los relojes biológicos y desarrollar tratamientos más precisos para trastornos relacionados con el sueño y la regulación temporal.
Fuente: PLOS Computational Biology
