O plâncton e o jet lag Understand article

Tradução de Isabel Queiroz Macedo. Uma das maiores migrações no mundo é provavelmente regulada por uma hormona que controla os nossos ritmos de sono.

Viajar por vários fusos
horários perturba o ritmo do
nosso organismo, resultando
em jet lag.

Imagem cortesia de Slack12;
fonte: Flick

A melatonina é uma hormona essencial à manutenção do ritmo sono-vigília em humanos. Cientistas do Laboratório Europeu de Biologia Molecular (EMBL) em Heidelberg, Alemanha, descobriram recentemente que a melatonina também regula a migração nocturna de uma espécie de plâncton, da superfície para águas mais profundas (Tosches et al 2016).

Em vertebrados, a melatonina desempenha um papel importante no controlo de padrões de actividade corporal e assegura um ritmo regular na alternância dia/noite ao longo das 24 horas. Quando voamos através de vários fusos horários e esta alternância é perturbada, o nosso ciclo sono-vigília habitual fica dessincronizado e surge o jet lag.

Praticamente todos os animais têm melatonina, com função semelhante em todas as espécies, incluindo alguns micro-organismos que, segundo a comunidade científica, serão nossos ancestrais muito distantes. Compreender o papel da melatonina nesses organismos primitivos pode fornecer pistas sobre o modo como o nosso sistema nervoso evoluiu.
 

O ritmo circadiano

Já ouviu falar de ritmo circadiano? O termo circadiano vem do latim: circa, que significa cerca de, e dien, que significa dia – cerca de um dia. Refere-se ao ciclo regular de 24 horas que rege a maioria das funções fisiológicas (como temperatura corporal, pressão arterial e produção hormonal). É essencial ter um ritmo circadiano regular e equilibrado, porque a desregulação pode causar problemas de saúde, que vão de um simples desconforto, como o jet lag, a doenças graves, como a depressão.


Como sincronizamos o ritmo circadiano

Embora existam mecanismos semelhantes em outras espécies, os seres humanos são os animais mais estudados no que se refere ao ritmo circadiano. O ritmo circadiano depende da luz e é em grande parte controlado através dos olhos. A retina humana não só nos permite ver conscientemente as coisas, mas é também um sensor de luz que nos permite adaptarmos certas funções do organismo à quantidade de luz ambiente. A retina contém uma pequena percentagem (cerca de 1%) de fotorreceptores muito específicos, as células ganglionares da retina intrinsecamente fotossensíveis (ipRGC), que estão directamente ligadas ao relógio central, no cérebro, e produzem uma molécula chamada melanopsina.

Fotorreceptores nos nossos
olhos estão ligados ao
relógio central do organismo,
no cérebro.

Imagem cortesia de Roman
Miramontes; fonte: Flickr

As ipRGC são sensíveis à intensidade luminosa: são activadas e produzem melanopsina quando há muita luz, mais especificamente luz azul, e páram a produção desta hormona durante a noite, quando a intensidade de luz é menor. A melanopsina é libertada directamente no relógio central do organismo, situado no hipotálamo, imediatamente acima da zona onde os nervos ópticos se cruzam (o quiasma óptico) – o seu nome científico é núcleo supraquiasmático (NSQ; sigla inglesa SCN), o núcleo acima do quiasma.

Através de uma cascata de reacções, a melanopsina inibe a produção de melatonina na glândula pineal, uma outra região do cérebro. Como consequência, a melatonina é produzida apenas durante as horas de escuridão – à noite. A melatonina tem um papel importante em quase todas as funções do organismow1, como o padrão de sono ou a temperatura corporal, que diminui cerca de 1°C do dia para a noite.

Para assegurar o seu funcionamento adequado, e diário, independentemente do clima, o corpo adapta-se não só à intensidade de luz que “regista” em cada momento, mas também à sua história recente de exposição à luz. De um modo ainda não totalmente compreendido, a melanopsina guarda uma memória da exposição recente. Quando este padrão de exposição à luz muda, por exemplo durante viagens por vários fusos horários, o ritmo é perturbado e leva vários dias a voltar à sincronia, causando jet lag.

A migração do plâncton

A melatonina também está presente em outras espécies, mesmo microscópicas e muito menos complexas do que os seres humanos: qual é para elas a sua função? Para descobrir, a equipa de Detlev Arendt, do EMBL, estudou um verme poliqueta marinho, Platynereis dumerilii, uma criatura minúscula que, segundo se crê, é muito semelhante aos primeiros animais com um cérebro e um sistema nervoso.

Platynereis dumerilii
Imagem cortesia de
EMBL/Detlev Arendt

As larvas deste verme participam no que foi descrito como a maior migração do planeta em termos de biomassa: o movimento vertical diário de plâncton no oceano. Através do movimento de “barbatanas” microscópicas – cílios – dispostas como um cinto em torno da sua linha central, as larvas do verme migram diariamente para a superfície. Chegam à superfície ao anoitecer e voltam antes do amanhecer para águas mais profundas, onde estão protegidas dos raios UV, prejudiciais.

“Descobrimos que um grupo de células multifuncionais no cérebro destas larvas têm um sensor de luz e regulam o relógio interno que produz melatonina à noite”, diz Detlev. ” Assim, acreditamos que a melatonina é a mensagem que essas células produzem durante a noite para regular a actividade de outros neurónios que, em última instância, comandam o ciclo dia-noite. “

Maria Antonietta Tosches, investigadora pos-doc no laboratório de Arendt, descobriu um grupo de neurónios motores especializados que respondem à melatonina. Utilizando sensores moleculares modernos, conseguiu registar a actividade desses neurónios no cérebro da larva e verificou que ela muda radicalmente do dia para a noite. A produção nocturna de melatonina induz alterações na actividade desses neurónios, que por sua vez originam longas pausas no bater dos cílios. Graças a estas pausas prolongadas, a larva afunda-se lentamente. Durante o dia não há produção de melatonina, os cílios estão menos tempo parados e a larva nada para a superfície. “Quando expusémos as larvas a melatonina durante o dia, elas mudaram para o comportamento nocturno “, diz Tosches. “É como se sofressem de jet lag “.

Todas as noites, um aumento dos níveis de melatonina no cérebro desta larva fá-la afastar-se da superfície do oceano.
Imagem cortesia de EMBL/MA Tosches 

De Platynereis ao cérebro humano

Os resultados da investigação levam a crer que as células fotossensíveis produtoras de melatonina, de crucial importância na migração nocturna desta larva, têm parentes evolutivos no cérebro humano. Isto implica que as células que controlam o nosso ciclo sono-vigília podem ter surgido pela primeira vez no oceano há centenas de milhão de anos, em resposta à necessidade de se afastarem do sol.

“Passo a passo, vamos elucidando a origem evolutiva das funções-chave do nosso cérebro. É fascinante verificar que a biologia humana tem as suas raízes em alguns aspectos fundamentais, altamente conservados, da ecologia dos oceanos, que dominam a vida na Terra desde tempos remotos da evolução “, conclui Detlev.

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Institution

EMBL

Author(s)

Isabelle Kling estudou bioquímica e comunicação de ciência e criou vários projectos de comunicação de ciência no Canadá e na Europa. É uma das editoras da Science in School no EMBL.


Review

O padrão de sono dos estudantes muda à medida que eles crescem. Eles têm de cumprir horários, por vezes contra o seu ritmo circadiano. Este artigo convida os alunos a compreender conceitos básicos que podem ajudá-los a escolher melhor os períodos de trabalho. A compreensão da biologia por detrás do ritmo circadiano torna mais fácil a alteração dos hábitos e dá aos alunos um sentimento de poder. Este tema pode ter um impacto muito positivo na vida dos alunos.

O artigo pode ser usado para as seguintes actividades em sala de aula:

  • A melatonina como “cura” para o jet lag: explicar em que circunstâncias isso faz sentido (ao viajar para oeste ou para leste), tendo em conta a hora do dia.
  • Fazer um gráfico que relaciona dia/noite com a expressão de melanopsina / melatonina no cérebro.
  • Usar a Internet para definir as áreas do corpo humano sensíveis à luz.

Friedlinde Krotscheck, Austria




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