La dinàmica dels sistemes vius

Print Friendly, PDF & Email

Dimecres 19 de maig va venir Jordi García-Ojalvo al cafè científic de la Casa Orlandai, per parlar-nos de la dinàmica dels sistemes vius.
Tots els éssers vius, des dels microbis fins als humans, estem sotmesos a la fletxa del temps. Des del cicle dia-nit fins al pas de les estacions i l’envelliment al llarg dels anys, els sistemes vius hem evolucionat per detectar, respondre i anticipar el pas del temps. Estem començant a entendre com ho fem, i com això afecta a com ens desenvolupem, com funciona el nostre cervell, i com lluitem contra les malalties.

El nom «dinàmica dels sistemes vius» ve donat perquè en els estudis biològics que realitza l’equip d’en Jordi tenen en compte el pas del temps. Gràcies a les tècniques actuals de filmació d’esdeveniments in vitro, i als marcadors fluorescents, comença a comprendre’s què passa, quan passa el temps.

L’estudi del pas del temps en els organismes és més que veure com apareix l’envelliment. La intervenció del temps és la que fa possible com, en pocs mesos, a partir d’una única cèl·lula estem programats per a convertir-nos en un ésser viu. Per a que això succeeixi, el nostre genoma duu una sèrie de programes amb instruccions per anar-nos fent; els programes s’han d’anar desplegant de manera seqüencial i molt acurada per a que doni lloc als organismes que som.

També estem afectats pel cicle que marca la rotació de la Terra: el cicle diari. Els nostres òrgans i els nostres sistemes segueixen cicles diaris; el nostre cos és un conjunt de rellotges. El «màster clock» és el cervell, però cada òrgan un duu el seu ritme circadiari, cada un té un moment d’intervenció diferent. Les hormones segueixen un ritme diari, com es distribueixen per sang, afecten tots els òrgans que es preparen per les seqüències cícliques de la nostra vida; anticipen el que ha de passar, preparen el nostre cos per a les activitats corresponents a cada moment.

Aquests ritmes poden afectar tant la absorció de medicaments, segons l’hora de la ingesta; la pressió arterial o la quantitat d’orina que segreguen els nostres ronyons. Això fa que en algunes hores sigui més comú de tenir un atac de cor, òbviament, quan l’esforç cardíac és superior, quan la pressió arterial és més elevada. Fins i tot per caminar hi ha involucrats ritmes per a deambular de manera coordinada.

Si volem entendre com funciona el rellotge intern en el cervell d’una persona, hem d’anar a buscar el nucli supraquiasmàtic -que és just sobre el quiasma, allà on s’ajunten els dos hemisferis- i veure en quins moments s’expressen determinats gens en les seves cèl·lules. L’expressió dels gens comporta que se sintetitzi RNA missatger, que farà de motllo per a la síntesi de proteïnes, són les molècules executives.

I, com es regula aquesta síntesi? Doncs la mateixa proteïna resultant, quan arriba a una determinada concentració, és el factor que atura el mecanisme de la seva pròpia síntesis. És un fenomen de realimentació negativa. Aquesta mena de regulació comú en biologia és la que permet encendre i apagar els rellotges cel·lulars.

Però no hi ha només ritmes circadians en els humans. També hi ha polsos de temps en el desenvolupament embrionari dels animals. Les cèl·lules tenen un rellotge que marca els temps, cada cèl·lula, cada sistema i cada organisme té un tempo determinat característic. El batec del cor té el seu propi ritme, com es pot comprovar en cultivar cardiomiòcits in vitro. El càncer és quan es descontrola la regulació de la divisió cel·lular.

El nostre esquelet té una columna vertebral amb una periodicitat espacial: les vèrtebres. Aquesta periodicitat no és més que fruit de l’oscil·lació d’unes cèl·lules en el temps, que es transforma en una oscil·lació en el l’espai. El temps el marquen les cèl·lules-rellotge de la columna vertebral primordial.

També tenen ritmes estacionals els arbres caducifolis, en aquest cas, el cicle complet és d’un any, el temps que triga la Terra en donar la volta al Sol. En els éssers vius, el ritme de les cèl·lules està programat segons la cèl·lula i segons l’organisme, i el període pot variar fins de deu segons fins a valors que arriben a desenes de milions de segons, com és el cas del cicles anuals.


Algunes oscil·lacions del cervell es fan paleses en un electroencèfalograma. Els ritmes cerebrals coordinen la sincronització del funcionament de diverses zones. Ara bé, una sincronització excessiva pot provocar malalties com ara el pàrkinson o l’epilèpsia.

Curiosament, tots els organismes tenim ritmes circadians, però els circuits són diferents. No tenen res a veure els mecanismes reguladors dels rellotges circadians en la mosca o en la planta Arabidopsis; es pot trobar un mateix origen evolutiu entre mamífers, per exemple entre el ratolí i els humans.

La ciència fa com l’evolució segueix un camí, fins que rectifica. Ara està de moda fer estudis de conjunts: genomes, transcriptomes o proteomes. Però aquests estudis no permeten veure l’evolució de les molècules en el temps, es perd el factor temps.

Jordi, què et va moure a estudiar el pas del temps?
Vaig decidir fer física perquè la biologia del batxillerat era molt descriptiva, com la història; en canvi, entenia que la física podia donar respostes perquè pot utilitzar les matemàtiques per entendre el món, mentre que la biologia d’aleshores, no. Ara bé, amb el canvi de segle, amb la seqüenciació del genoma humà, vaig comprendre que en biologia s’obrien moltes preguntes per a la resposta de les quals es podrien aplicar les matemàtiques.

Vaig fer un post-doc sobre sistemes dinàmics i vaig tenir la sort de poder aplicar les matemàtiques a comprendre el món viu. Els científics tenim la sort que en algun moment de la nostra carrera podem triar què volem fer. I vaig seguir un impuls que m’empenyia cap a coses en les quals no podia deixar de pensar, i així vaig caure en ritmes en biologia. Va ser un atractor estrany. Ara, a la UPF estic en un equip multidisciplinari, hi ha físics, biòlegs, matemàtics …

No us perdeu la xerrada, pel ponent i pels vídeos!

Més cafès científics
Com s’organitza un individu?, amb Cristina Pujades (18/10/2018)
La cursa per la vacuna, amb Lluís Ruíz-Àvila i Josep Lluís Martín (20/01/2021)
Els cicles diaris, com ens afecten? amb Ana Adan (12/05/2013)

Imatges: wikimedia commons