Ventaja circadiana

La ventaja circadiana es una ventaja que se obtiene cuando los ciclos biológicos de un organismo están sincronizados con su entorno. No es un fenómeno muy estudiado, pero se sabe que ocurre en ciertos tipos de cianobacterias , cuyos ciclos endógenos, o ritmo circadiano , "resuenan" o se alinean con su entorno. También se sabe que ocurre en las plantas, lo que sugiere que cualquier organismo que sea capaz de sincronizar sus ciclos de crecimiento natural con su entorno tendrá una ventaja competitiva sobre aquellos que no lo hacen. La ventaja circadiana también puede referirse a la ventaja que obtienen los equipos deportivos al aclimatarse a la zona horaria donde se juega un partido.

En el contexto de los ritmos circadianos bacterianos , específicamente en cianobacterias , la ventaja circadiana se refiere a la mayor supervivencia de cepas de cianobacterias cuyos ciclos endógenos "resuenan" o se alinean con el ritmo circadiano ambiental . ^{[ 1 ]} Por ejemplo, consideremos una cepa con un período de libre oscilación (FRP) de 24 horas que se cultiva junto con una cepa que tiene un período de libre oscilación (FRP) de 30 horas en un ciclo de luz-oscuridad de 12 horas de luz y 12 horas de oscuridad (LD 12:12). La cepa que tiene un FRP de 24 horas superará a la cepa de 30 horas con el tiempo.

Los estudios de competencia en plantas proporcionan otro ejemplo de ventaja circadiana. Estos estudios han demostrado que un reloj endógeno que resuena con los ciclos ambientales conduce a una ventaja competitiva en Arabidopsis thaliana . ^{[ 2 ]} Experimentos con tipo silvestre , mutantes de período circadiano corto y mutantes de período circadiano largo demostraron que las plantas con un período circadiano óptimamente sincronizado con el ambiente crecieron más rápido. El mismo estudio también mostró que la fijación fotosintética de carbono estaba directamente correlacionada con la "resonancia circadiana". Otro estudio descubrió que los genes involucrados en las reacciones fotosintéticas de A. thaliana están bajo el control del reloj. Los ARNm que codifican proteínas de unión a la clorofila y la enzima protoporfirina IX magnesio quelatasa involucrada en la síntesis de clorofila estaban ciclados. ^{[ 3 ]} El aumento de productividad por "resonancia circadiana" puede surgir de la anticipación adecuada del amanecer y el atardecer, lo que permite la síntesis oportuna de proteínas del complejo de captación de luz y clorofila. Por lo tanto, la ventaja competitiva de A. thaliana respalda aún más la idea de que la anticipación de los cambios ambientales conduce a una mayor aptitud.

Rhodopseudomonas palustris es otro ejemplo de la ventaja de tener un sistema de sincronización biológica que interactúa con los ciclos ambientales. Si bien el único grupo procariota con un mecanismo de sincronización circadiana bien conocido son las cianobacterias, descubrimientos recientes que involucran a R. palustris han sugerido mecanismos de sincronización alternativos entre los procariotas. ^{[ 4 ]} R. palustris es una bacteria púrpura no sulfurosa que posee los genes KaiB y KaiC y exhibe un crecimiento adaptativo dependiente de kaiC en entornos cíclicos de 24 h. Sin embargo, se informó que R. palustris muestra un ritmo intrínseco poco autosostenible, y la mejora del crecimiento dependiente de kaiC no estaba presente en condiciones constantes. El sistema de R. palustris se propuso como un "proto" temporizador circadiano que exhibe algunas partes de los sistemas circadianos ( homólogos de kaiB y kaiC ), pero no todas.

Asimismo, la investigación sobre los mecanismos endógenos de regulación del ritmo circadiano en ratones respalda aún más que la "resonancia circadiana" es evolutivamente adaptativa. Un estudio en particular comparó la aptitud de ratones de tipo salvaje con la de ratones mutantes que presentaban un ciclo circadiano libre corto. ^{[ 5 ]} Estos ratones tenían una mutación en el gen de la caseína quinasa 1Ɛ, que codifica una enzima fundamental para controlar la duración del ciclo circadiano. Posteriormente, se liberó un grupo mixto de ratones de tipo salvaje y mutantes en un recinto experimental al aire libre y, tras un período de catorce meses, se realizó un seguimiento de los ratones. Los ratones de tipo salvaje sobrevivieron más tiempo y se reprodujeron a un ritmo mayor que los ratones mutantes. De hecho, el genotipo mutante fue fuertemente seleccionado en contra, lo que sugiere una selección natural hacia aquellos genotipos que resuenan con el ciclo natural de luz-oscuridad (LD).

Es posible que los relojes circadianos desempeñen un papel en el comportamiento de la microbiota intestinal. ^{[ 6 ]} Estos microorganismos experimentan cambios diarios correlacionados con los ciclos diarios de luz/oscuridad y temperatura. Esto ocurre a través de comportamientos como los ritmos de alimentación en una rutina diaria (consumo durante el día para animales diurnos y durante la noche para animales nocturnos). La presencia de un reloj biológico diario podría otorgar a estas bacterias una ventaja competitiva sobre otras, al permitirles detectar los recursos provenientes del huésped para prepararlos y metabolizarlos más rápidamente. Existen bacterias que poseen relojes biológicos diarios, y es posible que la microbiota tenga relojes endógenos que se comuniquen con los relojes biológicos del huésped. ^{[ 6 ]} Por ejemplo, si existen ciertas características de regulación del tiempo en los microorganismos dentro de los intestinos, es posible que puedan afectar el sistema circadiano del huésped. Es posible que algunas especies microbianas posean un reloj endógeno, y la presencia de este cronometrador intrínseco podría ser beneficiosa tanto en el intestino (que experimenta cambios diarios en la disponibilidad de nutrientes) como en el entorno externo al huésped (que experimenta ciclos diarios de luz y temperatura). ^{[ 6 ]}

En el deporte competitivo , una ventaja circadiana es la ventaja de un equipo sobre otro en virtud de su grado relativo de aclimatación a una zona horaria en comparación con su oponente. Si bien este concepto fue explorado por investigadores de Stanford en 1997, ^{[ 7 ]} y de la Universidad de Massachusetts, ^{[ 8 ]} el término fue acuñado en 2004 por el Dr. W. Christopher Winter , un neurólogo y especialista en sueño que estudiaba los efectos de los viajes entre zonas horarias en el rendimiento de las Grandes Ligas de Béisbol (MLB). ^{[ 9 ]} Este estudio se amplió a un estudio retrospectivo de diez años con una subvención de la MLB, que fue completado por el Dr. Winter y su asistente de investigación Noah H. Green, entonces estudiante de pregrado en la Universidad de Virginia . El trabajo fue presentado en 2008 en la 22.ª Reunión Anual de las Sociedades Profesionales Asociadas del Sueño en Baltimore , Maryland. ^{[ 10 ]}

Utilizando la convención de que por cada zona horaria cruzada, la sincronización con esa zona horaria requiere un día, los equipos pueden ser analizados durante una temporada para ver en qué punto se encuentran en términos de aclimatación a su zona horaria de juego. Por ejemplo, consideremos a los Washington Nationals . Si han estado compitiendo en casa durante los últimos 3 días o más, estarían completamente aclimatados a la hora estándar del este (EST). Si viajaran a Los Ángeles , al llegar estarían 3 horas de diferencia, porque viajaron 3 zonas horarias al oeste. Cada 24 horas que pasen en la costa oeste, los acercarían 1 hora más a la aclimatación. ^{[ 11 ]} Entonces, después de 24 horas en Los Ángeles, estarían 2 horas de diferencia. Después de 48 horas, estarían 1 hora de diferencia, y después de 72 horas, estarían aclimatados a la hora de la costa oeste y se mantendrían así hasta que salieran de su zona horaria.

A diferencia de la ventaja de jugar en casa, que se da siempre que dos equipos se enfrentan en un campo neutral, la ventaja circadiana no se aplica a todos los partidos. En una temporada típica de la MLB, se aplica a aproximadamente el 20% de los partidos, mientras que el 80% restante presenta equipos con la misma ventaja circadiana. En deportes con mayor intervalo entre partidos, puede aplicarse a un número significativamente menor de encuentros. La ventaja circadiana es mucho más relevante en deportes que implican viajes internacionales frecuentes.

La ventaja circadiana es más significativa cuando un equipo tiene una ventaja de 3 horas (o más) sobre otro. Este enfrentamiento solo se da después de vuelos muy largos, donde el equipo visitante juega poco después de llegar, como suele ocurrir en los vuelos transcontinentales de las principales ligas norteamericanas y australianas. A medida que disminuye la diferencia horaria entre dos equipos, también lo hace la ventaja circadiana.

En 2018, datos preliminares recopilados por el Instituto de Investigación del Ejército Walter Reed , presentados en la reunión anual SLEEP de la Academia Estadounidense de Medicina del Sueño , sugirieron que los equipos de la Liga Nacional de Fútbol Americano (NFL) rinden mejor de noche que de día como resultado de la ventaja circadiana. También indicaron que los equipos tenían menos pérdidas de balón por la noche. ^{[ 12 ]}