Colin Pittendrigh

Colin Stephenson Pittendrigh (13 de octubre de 1918 – 19 de marzo de 1996) ^{[1] fue un} biólogo nacido en Gran Bretaña que pasó la mayor parte de su vida adulta en los Estados Unidos. Pittendrigh es considerado el "padre del reloj biológico" y fundó el campo moderno de la cronobiología junto con Jürgen Aschoff y Erwin Bünning . Es conocido por sus cuidadosas descripciones de las propiedades del reloj circadiano en Drosophila y otras especies, y por proporcionar los primeros modelos formales de cómo los ritmos circadianos se sincronizan con los ciclos locales de luz y oscuridad. ^[1]

Colin Pittendrigh nació en Whitley Bay, en la costa de Northumberland (hoy Tyne and Wear ) el 13 de octubre de 1918. Recibió su primer título en botánica en 1940 de la Universidad de Durham, ahora Universidad de Newcastle upon Tyne . ^[2]

Pittendrigh era un objetor de conciencia y, por eso, durante la Segunda Guerra Mundial , fue asignado al servicio en tiempos de guerra para tratar de mejorar la producción de plátanos y otras frutas que se enviaban al Reino Unido durante la guerra. También trabajó como biólogo para la Fundación Rockefeller y el gobierno de Trinidad para controlar la malaria cerca de las bases militares allí. Estudió la epidemiología de la malaria transmitida por mosquitos que se reproducen en bromelias epífitas ("tanques" formados por hojas superpuestas) en el dosel del bosque. Hizo observaciones agudas sobre la distribución de las bromelias dentro de los doseles de los bosques y entre formaciones forestales contrastantes. Observó ritmos diarios en los patrones de actividad de los mosquitos, en particular notando que los momentos de máxima actividad eran diferentes para diferentes especies en diferentes niveles del dosel. Su trabajo con los ritmos de picadura de estos mosquitos fue responsable del desarrollo de su interés en los ritmos biológicos, que más tarde condujo a sus estudios experimentales sobre el ritmo de eclosión en Drosophila. ^[3]

Pittendrigh se casó con Margaret "Mikey" Dorothy Eitelbach durante la guerra. Poco después, se mudaron a Trinidad y vivieron en la selva tropical, donde Pittendrigh trabajó en el control de la malaria como parte del esfuerzo bélico. ^[4] Regresó a los Estados Unidos en 1945. Margaret y Colin tuvieron dos hijos, Robin Rourk, que actualmente vive en Louisville, Colorado y Colin Jr., que vive en Bozeman. Pittendrigh tenía un nieto y una nieta. ^[1] Pittendrigh era un ávido pescador con mosca y amante de la vida al aire libre, y él y su esposa se retiraron a Bozeman, Montana , debido a su amor por las Montañas Rocosas . ^[1]

Después de la guerra, Pittendrigh asistió a la Universidad de Columbia para estudiar su doctorado en biología con el genetista evolutivo Theodosius Dobzhansky . ^[5] Cuando terminó en Columbia en 1947, se unió a la facultad de Princeton , ^[1] como profesor asistente de biología, donde comenzó su trabajo sobre los ritmos circadianos. Mientras estaba en Princeton, obtuvo su ciudadanía estadounidense en 1950 y se desempeñó como decano de estudios de posgrado de 1965 a 1969. ^{[6] [7]} Pittendrigh también sirvió en una variedad de juntas científicas nacionales, incluido el Comité Asesor Científico del Administrador de la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio ( NASA ). ^[6]

En 1969, Pittendrigh dejó Princeton para unirse a la facultad de Stanford , donde ayudó a fundar el programa de Biología Humana y más tarde se convirtió en el director de la Estación Marina Hopkins . ^[1] Mientras se desempeñaba como director de la Estación Marina Hopkins entre 1976 y 1984, a Pittendrigh se le atribuye haber ayudado a reconstruir el laboratorio de biología marina de Stanford, de un siglo de antigüedad, incorporando biología molecular, ecología y biomecánica modernas, y convirtiendo la estación en una estación internacionalmente famosa y vigorosa. ^[1]

Pittendrigh se jubiló de Stanford en 1984 y se mudó a Bozeman, Montana. Allí continuó sus estudios sobre relojes biológicos, trabajando con el profesorado y dando clases en la Universidad Estatal de Montana – Bozeman. ^[1]

Pittendrigh conoció a Jürgen Aschoff en 1958, cuando Aschoff hizo su primera visita a los Estados Unidos. Pittendrigh estudió la tasa de eclosión de las moscas de la fruta, mientras que Aschoff estudió el ritmo circadiano continuo de las aves, los mamíferos y los humanos. Llegaron a dos conclusiones diferentes sobre el modelo de arrastre : Aschoff apoyaba un concepto de arrastre paramétrico (arrastre gradual a lo largo del día) y Pittendrigh apoyaba un concepto de arrastre no paramétrico (el arrastre es repentino y una vez al día). A pesar de sus puntos de vista opuestos, Aschoff y Pittendrigh siguieron siendo amigos cercanos y mantuvieron un intenso intercambio de notas e ideas durante toda la vida. Serge Daan describió su investigación como "siempre en armonía, nunca en sincronía". ^[8]

Durante la Segunda Guerra Mundial, Pittendrigh fue enviado a Trinidad para ayudar a cultivar vegetales para la campaña del norte de África y diseñar métodos para ayudar a controlar la malaria que asolaba a las tropas allí. Allí, hizo importantes descubrimientos sobre los hábitos de reproducción de los mosquitos y su necesidad de depósitos de agua de bromelias para reproducirse. Pittendrigh encontró una solución ingeniosa para controlar la población de mosquitos. Como se reproducían en los tanques de agua que se acumulaban en estas plantas, la eliminación de los tanques destruyó la población de mosquitos. Rociar una solución de sulfato de cobre (CuSO4) (no tóxica para los humanos) sobre las bromelias las mató y destruyó el entorno de reproducción de los mosquitos. Además de su investigación sobre la malaria, los estudios de Pittendrigh sobre los ritmos de actividad diaria de los mosquitos despertaron su interés por los relojes biológicos, un tema que llegó a dedicarse por completo más tarde en Princeton. ^[9]

Pittendrigh influyó en el establecimiento de muchos de los criterios clave que debe tener un sistema biológico para ser considerado un reloj biológico. Su trabajo sobre los ritmos de eclosión (el proceso por el que un insecto emerge de su estado de pupa ) de Drosophila pseudoobscura ^[8] demostró que 1) los ritmos de eclosión persisten sin señales ambientales (es decir, en condiciones constantes), 2) a diferencia de la mayoría de las reacciones químicas, el período de eclosión permanece relativamente constante cuando se expone a cambios en la temperatura ambiente ("compensación de temperatura"), ^[10] y 3) los ritmos de eclosión pueden ser sincronizados por ciclos de luz que son cercanos al período natural de las moscas (τ).

A partir de 1958, Pittendrigh desarrolló el concepto de curva de respuesta de fase o PRC. ^[11] La PRC permitió a los cronobiólogos predecir cómo se vería afectado un sistema biológico por un cambio en su horario de luz. Las PRC, detectadas casi simultáneamente en los laboratorios de Pittendrigh y Woody Hastings, sirvieron como base para el modelo de arrastre no paramétrico que fue propuesto poco después por Pittendrigh. Este modelo no paramétrico de arrastre predijo que la diferencia entre un período ambiental (T) y el período intrínseco de un organismo (τ) se corrige instantáneamente cada día cuando la luz cae en una fase particular (φ) del ciclo donde se genera un cambio de fase (Δφ) igual a esta diferencia. Esto se refleja a través de la expresión: Δφ(φ)= τ - T. ^[8]

Si bien el PRC ha sido invaluable para comprender el arrastre, existen varios problemas notables con el modelo. El PRC, si bien es preciso para describir los ritmos de eclosión de Drosophila, tiene problemas para predecir varios aspectos del arrastre en mamíferos. La compresión de los intervalos subjetivos de día o noche en mamíferos conduce a cambios en la actividad que no son predichos por el PRC. Más tarde se demostró que estas diferencias se deben en parte a que τ y el PRC son entidades maleables modificables a través del arrastre. El propio Pittendrigh reconoció que su modelo de arrastre se basaba en la simplificación y no podía modelar con precisión todos los casos de arrastre. Sin embargo, este modelo ha sido destacado para promover nuestra comprensión del arrastre y se usa ampliamente hoy en día para enseñar el concepto de arrastre no paramétrico. ^[8]

El amigo íntimo de Pittendrigh, Aschoff, propuso un modelo paramétrico de arrastre que contrastaba con el anterior, en el que proponía que la luz alargaba o acortaba el período endógeno (τ) y al mismo tiempo cambiaba la línea base de oscilación. ^[8] Este modelo paramétrico sugería que la luz podía afectar el período de oscilación circadiana y modificar la forma (o forma de onda) y el nivel en torno al cual se movía la oscilación. Si bien el modelo continuo de arrastre de Aschoff ha quedado en gran medida en desuso, es importante recordar que sus contribuciones ayudaron a abordar y explicar las deficiencias del modelo de arrastre no paramétrico de Pittendrigh, que ahora se enseña y acepta ampliamente.

En 1964-65, Pittendrigh copresidió el comité de la Academia Nacional sobre exploración de Marte con Joshua Lederberg , para investigar si existe vida en Marte. ^[12] El proyecto se llevó a cabo en la Universidad de Stanford y el Instituto Rockefeller, Nueva York, comenzando en el verano de 1964 y concluyendo en octubre de 1965. ^[13] Durante el mismo período, recibió una beca de exobiología de la NASA para su investigación sobre "Ritmos circadianos en un biosatélite y en la Tierra", ^[14] que estudió cómo estar en órbita puede afectar los ritmos circadianos (aunque no está claro qué organismos estudió, y no se pudieron encontrar publicaciones posteriores sobre este estudio). Pittendrigh también participó en el panel anticontaminación en el Comité Internacional de Investigación Espacial (COSPAR), ^[6] que se ocupa del riesgo de contaminar Marte con vida de la Tierra y destruir así la oportunidad del hombre de aprender si la vida se desarrolló espontáneamente en Marte. En 1966, Pittendrigh fue coautor de Biology and the Exploration of Mars: Report of a Study, que describe los hallazgos del estudio de exobiología de 1964-65. ^[13]

Pittendrigh y Daan publicaron un conjunto de cinco artículos en los que informaban sobre sus hallazgos sobre las propiedades de los marcapasos circadianos de los roedores nocturnos. A continuación, se presentan algunos de los hallazgos más importantes:

Sistema de un solo pulso ^[15] En lugar de hacer brillar luz sobre roedores durante un largo período continuo (por ejemplo, 12 horas) para representar el "día", Pittendrigh demostró que un pulso de luz de 15 minutos durante la noche subjetiva es suficiente para provocar un cambio de fase en los animales. Esto respalda la propiedad no paramétrica del reloj circadiano.

Diferencias interespecies e intraespecies ^[16] en respuestas a pulsos de luz (es decir, diferencia en PRC) Independientemente de si pertenecen a la misma especie o no, los roedores con período más largo (τ) tienen una zona de avance más grande en su PRC, porque necesitan tener retrasos de fase más a menudo para sincronizarse con el tiempo local (24 h). Lo opuesto es cierto para los roedores con período más corto (τ). Su implicación en la vida real es que la mayoría de los organismos diurnos, incluidos los humanos, tienen períodos más largos de 24 horas; por lo tanto, tienden a tener una zona de avance más grande en su PRC. Los animales nocturnos, por otro lado, a menudo tienen períodos más cortos de 24 horas; por lo tanto, tienen una zona de retraso más grande.

Sistema de dos pulsos (o fotoperiodo esqueleto) ^[17] Para probar el efecto del fotoperiodismo (es decir, variar la duración del día), Pittendrigh y Daan inventaron el sistema de dos pulsos, con un destello al amanecer y otro al anochecer, y cambiando el intervalo entre los 2 pulsos de luz para imitar los fotoperiodos cambiantes. Cuando el fotoperiodo (es decir, el día) se hace más largo que 12 horas, ocurre un salto de fase (también llamado salto ψ, donde ψ es el ángulo de fase de arrastre), donde la actividad nocturna original salta al día ahora más largo, y ψ cambia abruptamente ya que el reloj ahora trata el segundo pulso de luz como el inicio de la luz y el comienzo del día. No obstante, en la naturaleza donde el fotoperiodo es completo (es decir, la luz brilla constantemente durante todo el día), no se observa el salto ψ. Esto apoya el modelo de Aschoff del efecto paramétrico de la luz.

Modelo de oscilador dual ^[18] Bajo luz constante y alta intensidad de luz, Pittendrigh observó que la actividad locomotora de los hámsters se dividía en dos partes, cada una con su propio período. Por lo tanto, propuso el modelo de oscilador dual E & M (tarde y mañana). Normalmente, los dos osciladores están acoplados entre sí y generan el período intermedio de funcionamiento libre que es lo que medimos habitualmente. Sin embargo, bajo una intensidad de luz alta y constante, los dos osciladores se desacoplan y cada uno funciona libremente con su propio período, hasta que se estabilizan a 180° de distancia o se vuelven a acoplar. Su influencia mutua es mayor cuando sus picos de actividad están más cerca entre sí. El modelo acomoda cuantitativamente τ y α resumidos en la regla de Aschoff, y los efectos posteriores en el período de funcionamiento libre se predicen a partir del historial de luz-oscuridad anterior.

A medida que avanza la tecnología de la biología molecular, los investigadores han encontrado abundante evidencia molecular del modelo de oscilador dual E&M. Por ejemplo, los experimentos de células productoras de PDF (factor de dispersión de pigmento) en la drosófila muestran que el PDF es suficiente para generar la actividad matutina, mientras que no tiene efectos sobre el pico vespertino. En los mamíferos, mientras que el hámster normal muestra SCN ( núcleo supraquiasmático ) (el principal marcapasos circadiano en los mamíferos) en 2 lados en fase entre sí, el hámster dividido muestra SCN en antifase entre sí. La investigación en curso está tratando de caracterizar el oscilador vespertino y estudiar las interacciones entre los osciladores E&M.

La última parte de la investigación de Pittendrigh está dedicada al estudio de la dependencia de la temperatura de las respuestas fotoperiódicas en la drosófila. ^[19] Este trabajo fue crucial para desarrollar la curva de respuesta fotoperiódica (PPRC), una curva de respuesta de fase que tiene en cuenta los cambios estacionales en la duración del día al describir el arrastre. Propuso otro modelo de oscilador dual, en el que el oscilador maestro es sensible a la luz y el oscilador esclavo es sensible a la temperatura. Este modelo explica sus observaciones de ver respuestas de arrastre significativas a la fotoestimulación variable y ver respuestas atenuadas, pero aún significativas, a las temperaturas cambiantes. Pittendrigh también colaboró ​​con Knopka en el estudio de mutantes per de la drosófila (que genéticamente tienen períodos intrínsecos más largos o más cortos debido a la mutación en el gen per) y sus diferentes respuestas de arrastre a los estímulos de temperatura y luz. ^[20] Los mutantes per tienen una dependencia de la temperatura deteriorada, lo que sugiere que la actividad del oscilador de temperatura en los mutantes se reduce en comparación con el tipo salvaje. Esta es otra evidencia que apoya el sistema del modelo dual temperatura-luz.

• 1940: Graduación de la Universidad de Durham en Inglaterra.
• 1940-1945: Estacionado en Trinidad trabajando en el tema de la malaria para la Fundación Rockefeller.
• 1948: Tesis doctoral en la Universidad de Columbia
• 1947: Profesor adjunto de Biología en la Universidad de Princeton
• 1950: Se convirtió en ciudadano estadounidense.
• 1960: Presidió el comité organizador del Simposio de Cold Spring Harbor sobre relojes biológicos .
• 1969: Comenzó su trabajo en la Universidad de Stanford.
• 1976-1984: Director de la Estación Marina Hopkins ^[1]

• Miembro del personal superior de la NASA ^[6]
• Estudio de la Academia Nacional de Ciencias : “Biología y la exploración de Marte” ^[12]
• Miembro de la Academia Nacional de Ciencias ^[1]
• Miembro de la Academia Estadounidense de Artes y Ciencias ^[1]
• Miembro de la Sociedad Filosófica Americana ^[21]
• Beca Guggenheim ^[1]
• Premio Alejandro von Humboldt ^[1]
• Medalla de Oro de la Academia Checa de Ciencias ^[1]
• Director de la Estación Marina Hopkins (1976-1984) ^[1]
• Presidente de la Sociedad Americana de Naturalistas ^[1]
• Vicepresidente de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia ^[1]

• Colin S. Pittendrigh, 77 años, biólogo y experto en “relojes” internos, The New York Times, 26 de marzo de 1996
• Puerto de Cold Spring
• Diccionario de fisiología circadiana