El 14 de Agosto de 1952, el matemático y lógico Alan Turing publicó un trabajo titulado “Las Bases Químicas de la Morfogénesis”. Aunque hoy es más conocido por sus aportes a la ciencia de la computación, este documento revolucionó la biología del desarrollo al introducir una teoría matemática para explicar cómo los organismos adquieren sus formas complejas. Su propuesta fue tan revolucionaria que tomó casi cuatro décadas para que se pueda hallar evidencia de ella.

El problema

Tras la fertilización, las células comienzan a dividirse y, eventualmente adquieren diferentes funciones y formas. Por ejemplo, a partir de esa célula inicial se desarrollan estructuras como el corazón y la oreja, pero ahondando un poquito más, también se desarrollan patrones como las manchas del leopardo, las rayas de la cebra y los diseños intrincados en las alas de las mariposas. ¿Qué determina la posición de cada pelo blanco y negro de la cebra? Es evidente que no es aleatorio, porque podemos ver un patron de rayas, pero ¿qué determina ese patrón? ¿Es puramente determinismo genético, es decir la posición de cada pelo de la cebra adulta venía codificado desde el momento de su concepción? Esa era, en líneas generales, la creencia prevalente antes de Turing, que los genes contenían información posicional que dictaban la disposición y el patrón de las células en los organismos de desarrollo. Pero Turing pensó que eso no era necesario.

La Propuesta de Turing

Turing propuso que un sistema de productos químicos interactuantes, denominados ‘morfógenos’, podrían dar origen a patrones de manera espontánea si se difundían y reaccionaban entre sí en condiciones adecuadas. Esta propuesta fue revolucionaria porque sugería que las complejas formas biológicas podrían surgir de simples reglas matemáticas.

Reacción-Difusión e Inestabilidad: Un Nuevo Modelo

El modelo de Turing, conocido como el sistema de reacción-difusión, establecía que dos sustancias químicas, al reaccionar entre sí y difundirse a través de un medio, podrían generar patrones como puntos o rayas de manera espontánea. Adicionalmente, Turing incorporó el concepto de “Inestabilidad”, es decir, pequeñas perturbaciones que pueden amplificarse, generando diferentes patrones.

Esta idea presentó una alternativa al enfoque prevaleciente, sugiriendo que los patrones en el desarrollo no eran simplemente el resultado de la actividad genética, sino que podían surgir de la interacción y difusión de productos químicos.

Décadas de espera

Cuando Turing presentó sus teorías, las herramientas y técnicas disponibles no eran suficientemente avanzadas como para validar sus ideas. Además, debido a que el pensamiento reinante de ese tiempo era que todo el desarrollo era basado puramente en un mapa genético, las teorías de Turing no recibieron mucha prioridad. Y si sumamos a esto el hecho que las teorías de Turing eran una osada aplicación interdisciplinaria — aplicando conceptos matemáticos a la biología — es entendible que sus teorías tomaron un tiempo para ser consideradas válidas en el campo de la biología.

Evidencia y Desafíos

Con el tiempo, surgieron pruebas experimentales que respaldan los sistemas de reacción-difusión en varios contextos biológicos.

Uno de los ejemplos más citados se puede observar en los patrones de pigmentación de los pez cebra. Se ha demostrado que las interacciones entre las células pigmentadas son responsables de la formación del patrón, y esta interacción concuerda con la teoría de la reacción-difusión.

Asimismo, se cree que la formación de los folículos pilosos en los mamíferos, como las rayas en las cebras o las manchas en los leopardos, coincide con las teorías de Turing.

Sin embargo, el modelo no ha estado exento de desafíos. Si bien proporciona una base para la formación de patrones, la realidad en los organismos vivos es más compleja. Otros modelos han sido propuestos para explicar diferentes aspectos de la morfogénesis, y las teorías de Turing han sido combinadas y refinadas a lo largo de los años.

Implicaciones Más Allá de la Biología

El trabajo de Turing sobre morfogénesis no sólo revolucionó la comprensión en biología, sino que su modelo sentó las bases para descifrar la formación de patrones en sistemas tan variados como las dunas de arena, ciertas reacciones químicas, y estructuras geométricas observadas en alucinaciones. Esta teoría ha explicado fenómenos biológicos desde la pigmentación de conchas marinas hasta las formas de flores y hojas, y su principio de reacción-difusión ha encontrado aplicaciones en física, química, gráficos por computadora e inteligencia artificial.

Conclusión

El trabajo de Turing sobre morfogénesis cambió la forma en que vemos el desarrollo biológico. Proporcionó una perspectiva matemática a una pregunta biológica central: ¿cómo surgen las formas en la naturaleza? Aunque las teorías de Turing han sido respaldadas, refinadas y combinadas en las décadas posteriores, su trabajo sigue siendo fundamental para el estudio interdisciplinario de la morfogénesis en la actualidad.

Referencias:
Inestabilidad de Turing en sistemas biológicos
Wikipedia
HuffPost Science