Haga el siguiente experimento. Por la mañana, antes de levantarse de la cama, mídase la frecuencia cardiaca mediante las pulsaciones en la muñeca. Si dispone del aparato necesario, mídase la presión arterial. Tras incorporarse y deambular dos o tres minutos (vaya al baño), siéntese y repita las medidas. Observará que ha aumentado tanto su frecuencia cardiaca como su presión arterial, y así permanecerán, elevadas aunque con algunas oscilaciones, a lo largo de todo el día. En algunas personas, la presión arterial está elevada nada más despertarse por la mañana, y sin embargo va disminuyendo hasta la hora de acostarse, que es cuando más baja la tienen. Vemos que estos dos parámetros de nuestro medio interno (ritmo cardiaco y presión arterial) no se mantienen en límites fijos, estrictos (como exigiría la homeostasis), sino que pueden modificarse por una acción tan aparentemente simple como levantarnos de la cama. Es la alostasis.
La alostasis (del griego allo, que significa «otro» o «diferente» y estasis que significa «estabilidad») es un término creado en 1988 por Sterling y Eyer. Son el conjunto de mecanismos que permiten a cualquier ser vivo adaptarse beneficiosamente ante diversas circunstancias perturbadoras, estresantes o letales. Lo consiguen modificando los valores de algunos parámetros del medio interno.
Es como una homeostasis dinámica. No se trata de empecinarse en mantener la constancia fija de determinados parámetros, sino más bien en permitir una cierta flexibilidad adaptativa. Esto se debe a que algunos parámetros de nuestro medio interno no se pueden mantener fijos entre límites estrechos, pues sería peligroso para la supervivencia y para mantener la capacidad reproductora. Utilizando términos de la moderna tecnología, la alostasis es una especie de reajuste de los parámetros homeostáticos del medio interno.
El mecanismo de la alostasis es esencial para que cualquier ser vivo sobreviva en condiciones naturales. Por eso, a lo largo de la evolución se han ido desarrollando ingeniosas respuestas alostáticas para resolver la adaptación de los animales a las condiciones que ponían en peligro su supervivencia o su capacidad reproductora, y frente a las cuales los mecanismos homeostáticos (la estabilidad a ultranza) no eran una solución adecuada. La alostasis proporciona beneficios adicionales para el individuo y para la especie. Algunos ejemplos pueden ayudar a comprender el concepto de alostasis y su importancia adaptativa.
Este es uno de los casos más sorprendentes de mecanismos alostáticos que existen en la naturaleza. La rana de la madera (Rana sylvatica) es una pequeña rana que habita en Alaska, Canadá y el norte de Estados Unidos. Todos los seres vivos de sangre fría deben pasar los inviernos en estado de hibernación, aletargados en un seguro y confortable escondrijo. Pero a la rana de la madera, que habita una de las zonas más frías del planeta, este mecanismo no le basta. Así que ha desarrollado un sistema muy eficaz y único. Cuando la temperatura comienza a bajar, la rana se entierra bajo una capa de ramitas y hojas secas y, sencillamente, se congela. Sí, en efecto, se convierte en un bloque de hielo, dentro del cual se puede observar a la rana con sus ojos abiertos e inmóviles.
Cuando el experimento se realiza metiendo una de estas ranas en un congelador (experimento que se muestra en un vídeo de Youtube) se observa que el animal permanece en el estado de animación suspendida, como si estuviera muerto; carece de pulso, no se aprecian movimientos respiratorios y no se detecta actividad cerebral. Cuando se saca a la rana del congelador y toma contacto con la temperatura del laboratorio (o, en condiciones naturales, los primeros rayos del sol de primavera calientan el suelo del bosque), comienza a fundirse el hielo que rodea a la rana hasta que el bloque se convierte en un charquito de agua. Entonces, misteriosamente, el corazón comienza a latir, se reanuda la actividad cerebral, la rana comienza a respirar y abre y cierra los ojos varias veces. Luego estira las patas para desperezarse de una inmovilidad de meses, se sienta en la postura de todas las ranas y al rato sale dando saltos, como si nada hubiera ocurrido.
¿Cómo logra la rana de madera conseguir esa proeza? Hoy conocemos el mecanismo gracias al estudio de numerosos investigadores y en especial el de K.B. Storey y J.M. Storey, dos bioquímicos interesados en el problema de la criopreservación de órganos para trasplantes. Es sabido que, a pesar de toda la tecnología médica, no podemos congelar y luego descongelar a la vida ni uno solo de los órganos humanos importantes y, por supuesto, menos a una persona completa, por mucho que se empeñen algunas empresas de criogenización. Por eso les interesó a estos bioquímicos descubrir el secreto de la rana, para ver si se podía aplicar en el desarrollo de una técnica que permitiera la congelación de órganos destinados a trasplantes.
En cuanto la temperatura desciende por debajo de un determinado valor, se produce una serie de cambios alostáticos complejos que trastocan la homeostasis de la rana. Uno de esos cambios tiene que ver con la glucosa. Ya dijimos que la constancia de la glucosa en los líquidos extracelulares es una misión fundamental de la homeostasis. Pero no en la rana de la madera. El frío hace que esta rana comience a secretar la hormona glucagón, que hace que se vacíen las reservas de glucosa del hígado hasta tal punto que las cifras de glucosa en sangre aumentan cien veces sobre su valor basal. Este exceso de glucosa inunda todos los líquidos internos de la rana y actúa como un anticongelante, ya que rebaja el punto de congelación del agua del medio interno de la rana e impide que, al congelarse, se formen grandes cristales de hielo con agujas pinchantes y aristas cortantes. De esta forma preserva la integridad de sus tejidos, lo que no sucede cuando se intenta congelar un órgano de cualquier otro animal.
Otro caso extremo de alostasis, en el que se trastorna por completo la homeostasis, en este caso de la sal, es el del salmón. Estos peces nacen en los torrentes de agua pura y dulce (de muy poca mineralización) en la alta montaña. Desde allí, cuando son todavía jovencitos, comienzan un largo viaje que les lleva primero a los estuarios de los ríos y luego al mar. En ese entorno de los estuarios, donde se mezclan las aguas de baja salinidad de los ríos con las de elevada salinidad de los mares, comienza el proceso alostático que permite al salmón adaptarse a un entorno tan abundante en sales de sodio, de calcio y de potasio como es el agua del mar.
El mecanismo es complejo y aún no se conoce bien. Intervienen varias hormonas, como las tiroideas y las que regulan la homeostasis hidrosalina. Destaca la calcitonina, una hormona que el salmón produce en gran cantidad. Esta es la causa de que el salmón sea la principal fuente de esta hormona, con la que se elaboran los preparados farmacéuticos utilizados en el tratamiento de trastornos del calcio, como la osteoporosis. El proceso alostático es tan eficaz que el riñón de este animal pasa de ser un ahorrador de sales cuando es joven y vive en los ríos de montaña, a ser un eliminador de sales cuando vive en el mar.
Al cabo de unos años en el mar, los salmones emprenden el viaje de vuelta, lo que supone un nuevo cambio alostático para pasar desde el mar salado —donde han vivido varios años— a las aguas dulces de los ríos de montaña, donde se aparean: los machos eyaculan, las hembras desovan y ambos mueren. Vemos que este es otro ejemplo muy claro de cambios en los patrones homeostáticos de los seres vivos que les permiten adaptarse a nuevas condiciones que les confieren ventajas de supervivencia (durante gran parte de su vida) y de reproducción (al final).
El reino animal está lleno de adaptaciones alostáticas. Muchas de ellas tienen que ver con las dos funciones esenciales de cualquier ser vivo, como es la reproducción y la nutrición y las cuestiones energéticas involucradas. A veces ambas se entrecruzan, ya que están interrelacionadas.
Por ejemplo, numerosos pájaros que viven en latitudes frías pueden verse sorprendidos por unos días de intensas tormentas de nieve en plena primavera, cuando ya han comenzado los preparativos para aparearse, construir el nido y tener descendencia. En este caso, el estrés del frío produce un aumento de la hormona cortisol y altera los niveles de las hormonas sexuales, lo que inhibe los mecanismos de cortejo y apareamiento ya en marcha y los animales pueden así resguardarse y sobrevivir hasta que se restablezca el buen tiempo. Con estos mecanismos alostáticos se preserva la vida de los individuos y se garantiza la continuidad de la especie.
Numerosas especies ajustan sus niveles de hormonas sexuales y su capacidad reproductora a los ritmos estacionales de días largos o de días cortos con el fin de lograr el mayor éxito reproductor. Estos animales inhiben su actividad ovárica durante los meses no adecuados. Las ovejas, por ejemplo, en los climas templados activan sus ovarios durante el otoño, cuando se quedan preñadas. Esto permite que cinco meses después nazcan las crías al inicio de la primavera, cuando hay hierba abundante y más posibilidades para la supervivencia.
Respecto a la reproducción, hay que tener en cuenta que en todas las hembras (mujeres incluidas) se producen importantes cambios alostáticos durante los periodos de embarazo y lactancia para permitir esas funciones tan especializadas.
Otras numerosas adaptaciones alostáticas posibilitan por ejemplo la acumulación de grandes cantidades de energía en forma de grasa para que el animal pueda superar los desafíos necesarios para sobrevivir y procrear. Tal es el caso de numerosas aves que se enfrentan a largas migraciones, a veces de miles de kilómetros, durante las cuales apenas pueden alimentarse. Un caso bien conocido es la gran cantidad de grasa que acumula el oso para luego poder hibernar dentro de la osera durante los meses de invierno consumiendo la energía almacenada en estas reservas.
Los seres humanos hemos desarrollado a lo largo de nuestra historia evolutiva mecanismos alostáticos que permitieron a nuestros ancestros superar los cambios ambientales y las amenazas que fueron encontrando a lo largo de su historia evolutiva. Muchos de esos cambios fueron beneficiosos en las condiciones y estilos de vida en los que se desarrollaron, pero hoy, en el entorno opulento en el que muchos vivimos, se vuelven en contra de nuestra salud.
Recordemos que los sistemas alostáticos contribuyen a mantener la vida y la capacidad reproductora de un individuo frente a una amenaza, no restaurando variables fisiológicas o de conducta dentro de un rango fijo (homeostasis), sino modificando este rango óptimo, al menos temporalmente. Estos mecanismos nos capacitan para responder y estabilizar nuestro organismo frente a una gran variedad de circunstancias como: despertar, dormir, estar tumbado, estar de pie, tener que salir corriendo, soportar el ruido o la muchedumbre, resistir el aislamiento y el hambre, aguantar temperaturas extremas, vivir a elevada altitud, combatir las infecciones. Cuando se produce alguna de esas situaciones (ascender a una altitud elevada o trotar persiguiendo a una presa, por ejemplo), se ponen en marcha los mecanismos nerviosos y hormonales necesarios (estrés alostático) para solventar el problema. Se trata de «resetear» nuestro medio interno para adaptarlo a las nuevas condiciones impuestas.
Hay una diferencia fundamental entre las respuestas (estrés) de los dos sistemas de control: alostático y homeostático. En la homeostasis, el ajuste de la variable es fijo en todas las circunstancias; por ejemplo, haga frío o calor, hay que mantener la temperatura a 37 ºC. En la alostasis se cambia el valor de ajuste de la variable dependiendo de cómo haya que adaptarse a una determinada circunstancia: ante una infección, se establece el ajuste del termostato hipotalámico a valores más elevados, ya que la hipertermia (fiebre) lucha contra el germen invasor.
El estrés alostático puede convertirse en algo perjudicial y que puede ocasionarnos enfermedades cuando se dan dos condiciones (por separado o simultáneas): que la respuesta o el estímulo sean excesivos, o que se produzca con tanta reiteración que sobrepase la capacidad de nuestro organismo para afrontarlas. Veamos un ejemplo concreto de alostasis en los seres humanos y sus consecuencias: favorables y desfavorables.
Para los seres humanos, ascender por encima de 4.000 metros de altitud supone un riesgo para la vida. La presión parcial de oxígeno es tan baja a esa cota que pone en peligro la homeostasis del oxígeno en nuestro organismo y el aporte de oxígeno a nuestras células, en especial a las neuronas cerebrales. Cuando esta situación persiste crónicamente, el organismo desarrolla mecanismos que compensan esta deficiencia de oxígeno y se adapta a ella; esta es la razón de que existan numerosas poblaciones humanas que habitan a tales altitudes, o que los alpinistas puedan subir al Everest sin necesidad de una bombona de oxígeno. Esto es posible si se someten antes a un largo periodo progresivo de adaptación a la altura.
Imaginemos que preparamos una excursión para subir a una montaña elevada; por ejemplo, el pico Mulhacén, en Sierra Nevada. Ya a partir de los 3.000 metros de altitud, la presión parcial de oxígeno en el aire se reduce un 25 por ciento respecto a la que existe a nivel del mar; por eso sentimos como si nos faltara el aire. Cada vez que respiramos, introducimos en los pulmones un aire más pobre en oxígeno de lo que estaba diseñado en nuestro medio interno. Esta alteración de la homeostasis del oxígeno ocasiona que la sangre transporte menos oxígeno y que las células comiencen a sentir su falta; este gas es imprescindible para mantener las oxidaciones que les proporciona la energía.
Entre todas las células de nuestro organismo, las más sensibles frente a una deficiencia de oxígeno son las neuronas. Podemos comenzar a sentirnos fatigados, a respirar más deprisa y con respiraciones más amplias, y es posible que comencemos a notar un molesto dolor de cabeza (edema cerebral).
En cuanto el organismo percibe que le entra menos oxígeno del que precisa, se ponen en marcha mecanismos para contrarrestar esa deficiencia (estrés alostático). En primer lugar, se vacían los depósitos de glóbulos rojos (sobre todo del bazo) para que sea más fácil transportar el oxígeno por la sangre (más cantidad de transportadores). El cerebro capta esa deficiencia de oxígeno y pone en marcha mecanismos de defensa a través de vías nerviosas (sistema nervioso simpático): aumenta el ritmo y la profundidad de las respiraciones para poder captar más oxígeno y acelera la velocidad de la circulación sanguínea, lo que hace que aumente el ritmo y la fuerza de contracción del corazón. Estos mecanismos producen una adaptación provisional a la falta de oxígeno y sirven solo cuando la exposición a la altura es breve, transitoria. Son los que nos permitirán subir a la cima de la montaña, permanecer en ella y disfrutar del premio del paisaje.
Cuando se persiste en la altitud elevada, el organismo pone en marcha nuevos mecanismos de adaptación (estrés alostático) para ajustar nuestro organismo a las nuevas condiciones ambientales y así favorecer la supervivencia y la reproducción en el nuevo ambiente.
Uno de los sistemas más eficaces es la producción de una hormona renal llamada eritropoyetina (la EPO famosa por el dopaje de algunos deportistas). Esta hormona la secreta el riñón cuando hay deficiencia de varios días en el aporte de oxígeno a los tejidos. La eritropoyetina estimula la formación de nuevos glóbulos rojos de tal forma que el parámetro homeostático de la cifra de glóbulos rojos en la sangre (entre 4,5 y 5 millones/mm3) se reajusta («resetea») a un valor más elevado (más de 6 millones/mm3). En estas condiciones pueden vivir aquellas personas que habitan permanentemente en lugares elevados (los Andes o el Tíbet).
Hace miles de años, algunos seres humanos ocuparon por primera vez la meseta tibetana, una vasta extensión de estepa a 4.200 metros sobre el nivel del mar. Debieron de soportar la baja presión de oxígeno a esa altitud, lo que debió de desencadenar al principio un mal de altura crónico, una elevada tasa de abortos y mucha mortalidad infantil. Hay una variante de un gen (el llamado factor inducible por hipoxia) en los tibetanos que es muy poco frecuente en otras poblaciones. Esta mutación modifica la producción de glóbulos rojos de la sangre y explica que los tibetanos estén adaptados a la dureza del entorno. Otra mutación que también favorece la adaptación a la altitud se ha detectado en poblaciones de los Andes. Durante el embarazo, las arterias uterinas de las mujeres que habitan el altiplano boliviano, a más de 3.500 metros sobre el nivel del mar, crecen más deprisa que en las mujeres que viven a nivel del mar. De esta forma se garantiza el aporte de suficiente oxígeno al feto, a pesar de la baja presión ambiental del gas.
Cuando una persona se expone a una altitud elevada de repente como, por ejemplo, desembarcar de un avión en un aeropuerto a más de 4.000 metros, como sucede en La Paz (Bolivia), inmediatamente se ponen en marcha mecanismos alostáticos para permitir que el organismo supere ese desafío y que llegue el suficiente oxígeno a todos sus tejidos. El aparato respiratorio aumenta el ritmo de las respiraciones, que son más profundas, y llega a percibirse una cierta sensación de «hambre» de aire. Además, como las neuronas perciben que les llega menos oxígeno, intentan restablecer el suministro aumentando el aporte de sangre al cerebro. Para ello se produce una vasodilatación de los millones de arteriolas y de capilares cerebrales. Esto provoca un ligero edema y un aumento del volumen de la masa cerebral que, al estar encerrada en la rígida caja del cráneo, ocasiona en la mayor parte de las personas un molesto y persistente dolor de cabeza acompañado de náuseas, vómitos, insomnio y otras alteraciones. En este caso se está padeciendo una forma de estrés alostático que se denomina mal de altura agudo (puna o soroche, en la terminología andina).
En situaciones graves y en altitudes muy elevadas se puede producir la muerte por edema cerebral. Por ejemplo, si la deficiencia de oxígeno es excesiva o se establece en forma aguda (rotura de una ventanilla en un avión o ascenso rápido a una montaña elevada) o no funcionan los mecanismos de adaptación (el sujeto está anémico y tiene pocos glóbulos rojos), se produce un fallo en la adaptación, lo que puede ocasionar enfermedad o incluso la muerte.
El mejor tratamiento es la aclimatación progresiva a la altitud, que permite actuar con eficacia a los mecanismos alostáticos descritos. Cuando esto no es posible, se puede recurrir a diversas medidas a base de los llamados adaptógenos, denominación que engloba todas aquellas sustancias naturales o artificiales (fármacos) que facilitan que el sujeto se adapte a una situación de estrés. En este caso, el remedio tradicional entre los indígenas del altiplano andino es mascar hojas de coca, que en versión moderna se traduce en el ofrecimiento continuo de infusiones a base de hojas de coca en todos los establecimientos turísticos andinos. El remedio farmacológico más eficaz para la prevención y el tratamiento del mal de altura es un diurético llamado acetazolamida.
Dos publicaciones que ayudan a comprender el concepto de alostasis, son:
McEwen, B.S. y Wingfield, J.C. What is in a name? Integrating homeostasis, allostasis and stress. Hormones and Behavior Volume. 57, 105-111, 2010.
Sterling, P., Eyer, J. Allostasis: A new paradigm to explain arousal pathology. En: Fisher, S., Reason, J., (eds.), Handbook of Life Stress, Cognition and Health. John Wiley & Sons, 1988, pp 629-649.
Las bases bioquímicas de la adaptación al frío de la Rana sylvatica se describen en:
Storey, K.B. y Storey, J.M. Lifestyles of the cold and frozen. The Sciences. 39: 32-37, 1999.
Para profundizar en los mecanismos de la adaptación a la altitud elevada se sugiere la siguiente publicación:
Carmelo, C., y cols. Respuesta a la hipoxia. Un mecanismo sistémico basado en el control de la expresión génica. Medicina (Buenos Aires) 66: 155-164, 2006.