Alan Turing, el genio que descodificó la naturaleza

Alan Turing (Time & Life Pictures)/lavanguardia.com

O matemático británico Alan Turing, hoxe considerado o pai da computación e da intelixencia artificial, é un dos nomes en maiúsculas da historia da ciencia. Con todo, a súa figura pasou desapercibida durante anos, en parte porque o seu traballo estaba clasificado como secreto. O investigador contribuíu de forma decisiva á derrota de Alemaña durante a Segunda Guerra Mundial ao descifrar o código Enigma mediante o cal se comunicaba o exército nazi. A conmemoración do centenario do seu nacemento no 2012 e a interpretación de  Benedict Cumberbatch na película Descifrando Engima (The Imitation Game, 2014) popularizaron a súa figura.

Con todo, unha das súas facetas máis descoñecida e ignorada, mesmo para moitos científicos, segue sendo a achega que fixo a un campo de estudo que non era o seu: as ciencias da vida. A súa contribución a esta área, nun único artigo científico que publicou ao final da súa vida, está a ser recoñecida por unha nova xeración de biólogos, que se inspiran no traballo de Turing para comprender o desenvolvemento dos organismos e para crear novos órganos e tecidos en laboratorio.

Turing abordou con mestría unha das grandes preguntas da humanidade: como se forman os seres vivos. O científico preguntábase como unha única célula é capaz de dividirse en moitas máis e crear patróns e estruturas diferenciadas que dan lugar aos seres vivos, desde as raias dunha cebra ás extremidades dos vertebrados.

Pensaba que, se unha computadora podíase programar para calcular, un ser vivo tiña que estar gobernado por algún mecanismo similar que explicase o seu desenvolvemento desde a etapa embrionaria.  Turing propuxo un modelo matemático para resolver esta cuestión a partir dunha combinación concreta entre moléculas que impulsa, de forma espontánea e auto organizada, a creación de patróns biolóxicos. Isto fai que, aínda que todas as células dun organismo conteñan a mesma información xenética, sexan capaces de diferenciarse nos distintos tipos celulares que conforman a súa estrutura, como os ósos, os músculos ou o sangue.

Esta hipótese levou a Turing a publicar o único artigo científico da súa carreira que dedicou á química, a pesar de non ter experiencia nesta disciplina. Os dous procesos que contribúen á creación de estruturas son a difusión de moléculas a través do espazo e a reacción química entre elas. Segundo o matemático, debido a un equilibrio concreto entre reacción e difusión, non se crean os patróns homoxéneos habituais, senón que a  simetría rompe e xéranse patróns periódicos.

A teoría non expón ningunha hipótese nova, simplemente suxire que certas leis coñecidas da física son suficientes para explicar moitos feitos”, exprésase con modestia no artigo publicado en 1952 pola revista da Sociedade Real de Londres. Dous anos máis tarde suicidaríase, despois de ser sometido a unha terapia hormonal que naquela época administrábase para tratar a homosexualidade.

A súa contribución é extraordinaria (…); antes de  Turing ninguén pensara en preguntarse a cuestión que el expón: como un embrión esférico convertíase nun organismo non esférico como un ser humano”, resaltou fai tres anos nun artigo  Philip  Ball, escritor e autor do libro de divulgación  Patterns  in  Nature (Patróns na natureza).

Aquela idea revolucionaria do investigador británico conta hoxe con máis de dez mil referencias na literatura científica, pero aínda ninguén conseguiu demostrar de forma concluínte as súas ecuacións a nivel  experimental. Os xaponeses  Shigeru  Kondo e  Takashi  Miura consideran nunha revisión, publicada en Science en 2010, que una das razóns débese á separación entre a simplicidade matemática e a complexidade do mundo real, que fai que os biólogos non estean familiarizados con este modelo.

As preocupacións dos científicos de finais do século  XIX e principios do século XX centrábanse en “cuestións fundamentais da bioloxía do desenvolvemento, sobre todo a xeración da forma”, lembra  Ball. Por aquel entón, algúns consideraban que un ser vivo crecía a partir dunha versión microscópica de si mesmo. Non foi ata a década dos 1930 que os experimentos de Hans Driesch e Hans Spemann introduciron o concepto de diferenciación celular, que explica que un organismo crece a partir dunha única célula sen estrutura definida, grazas á especialización das células. Outro dos traballos que marcou aqueles anos foi o libro On growth and form (Sobre crecemento e desenvolvemento), que en 1917 publicou o biólogo escocés D’ Arcy Thompson, unha das seis únicas referencias bibliográficas do artigo de Alan Turing.

A pesar daquela inquietude sobre a orixe da vida, a  embriología non progresou ata a segunda metade do século pasado, porque non había nin tecnoloxía nin as ferramentas necesarias para o seu estudo.  Turing adiantouse á súa época. A súa teoría de patróns publicouse un ano antes de que  Francis  Crick e James Watson describisen a estrutura da dobre hélice do ADN. Estes dous científicos, tamén asentados na Universidade de Cambridge (Reino Unido), revolucionaron a bioloxía e viraron o interese do campo cara a outra dirección,  eclipsando as ecuacións de  Turing durante as décadas seguintes. Non foi ata máis adiante que as súas fórmulas serían consideradas unha “obra mestra”, segundo  Kondo e  Miure. Nun artigo de  The New York Times, a xornalista científica JoAnna Klein, resúmeo da seguinte forma: “Como todas as mellores ideas científicas, a teoría de Turing era elegante e simple”.

A capacidade visionaria de  Turing levoulle a inventar palabras para designar realidades ata entón descoñecidas. O concepto  morfóxeno expresa “a idea dunha forma de produción sen ánimo de ter un significado exacto”, conta o matemático: “Poñamos por caso un evocador de perna mediante o cal a perna se forma na súa presenza”. Segundo Turing, un  morfóxeno podía ser un xene, as hormonas ou os  pigmentos da pel.

Acuñou o termo para referirse a unha molécula coa capacidade de inducir unha diferenciación  tisular”, pon en valor John  Reinitz, investigador na Universidade de Chicago, nun artigo publicado en 2012 na revista Nature. Outra vez, a capacidade visionaria de  Turing avanzouse ata tres décadas á descrición dos xenes Hox que, como os  morfóxenos dos que el falaba, son responsables da conformación dos seres vivos. Aquel descubrimento, en moscas de laboratorio  Drosophila  melanogaster), fixo que os biólogos Edward Lewis, Eric  Wieschaus e  Christiane  Nüsslein- Volhard gañasen o premio Nobel de Medicina en 1995.

As ecuacións de Alan Turing representan “a primeira simulación por computador de patróns”, recalca  Reinitz, e posteriormente inspiraron numerosos traballos. A nivel teórico, diversos grupos de investigación demostraron as súas fórmulas.

O último foi un equipo de científicos da nova sede barcelonesa do Laboratorio Europeo de Bioloxía Molecular (EMBL), que hai uns días presentou un novo modelo para estender os patróns de Turing grazas á teoría de  grafos, unha rama das matemáticas que estuda as propiedades de redes. O coordinador do estudo, James  Sharpe, tamén publicou hai catro anos na revista Science outro traballo, neste caso experimental, que mediante as ecuacións de Turing explicou a formación dos dedos das mans e os pés cando era investigador do Centre de  Regulació  Xenòmica (CRG) en Barcelona.

A primeira reacción química no laboratorio que demostrou os patróns de Turing reportouse en 1990, nun artigo asinado por investigadores da Universidade de Bordeus (Francia). A partir daquela década, a maioría de traballos experimentais sobre patróns biolóxicos, baseados nas teorías de Turing, centráronse en sistemas moito máis sinxelos como a formación das dunas de area ou as manchas da pel dos animais, que aparecen grazas á activación e inhibición das rutas que estimulan a produción de  pigmento, no caso dos mamíferos, a  melanina.

Os peixes tropicais (Pomacanthus  imperator) foron os protagonistas da primeira observación experimental, conseguida en 1995. A diferenza da  pigmentación dos mamíferos, como as raias dunha cebra, esta especie acuática mantén a distancia entre as raias do seu organismo pola continua reorganización de patróns que pode predicir o sistema de Turing.

Os investigadores xaponeses Shigeru Kondo e Rihito Asai observaron que as crías, de dous centímetros, teñen tres raias  dorsoventrais, cuxa distancia vaise alargando ata que o seu organismo duplica o tamaño. Cando o peixe alcanza os catro centímetros, emerxen novas raias e o espazo entre elas volve ser o mesmo. A reorganización do patrón raiado repítese cando o exemplar crece ata os oito centímetros. Máis adiante, tamén se demostraría que outras especies de peixes comparten a mesma natureza dinámica, incluído o modelo de laboratorio do peixe cebra (Danio  rerio).

As ecuacións de Turing tamén se validarían na disposición das plumas dos pitos, os  folículos de pelo en ratos e a ramificación dos pulmóns nos mesmos roedores. No terreo da  embrioloxía, a demostración dos patróns de  Turing convértese en toda unha proeza: “No caso da formación de patróns de  pigmentación é posible perturbar o patrón e observar o proceso de rexeneración. Na maioría do resto de sistemas, esta observación é complicada porque as perturbacións experimentais poden ser letais”, argumentan  Kondo e  Miure.

As aproximacións matemáticas de Alan Turing contribuíron á comprensión de sistemas complexos, como os seres vivos. “Nos últimos 30 anos, estudos a nivel molecular revelaron que un gran abanico de fenómenos fisiolóxicos está regulado por redes complexas de interaccións celulares e moleculares”, escribiron  Kondo e  Miure. Agora, as ecuacións de  Turing eríxense como unha promesa para a bioloxía sintética, en especial para a enxeñería de tecidos. A comprensión de como emerxen os patróns celulares, grazas ás fórmulas que expuxo o matemático, permitirá crear novas estruturas no laboratorio, como órganos e tecidos.

Os patróns de  Turing ofrécennos unha paleta de deseños posibles en células”, resalta  Xavier Diego, investigador da sede barcelonesa do  EMBL, sobre a teoría do científico británico: “Foi unha idea moi revolucionaria, quizais demasiado”. Neste sentido, a abordaxe das novas cuestións que se expoñen en ciencia esixe unha aproximación multidisciplinar, á que Alan  Turing volveu avanzarse: “A comprensión total do artigo require de bos coñecementos en matemáticas, algo de bioloxía e química elemental”, advertiu  Turing no seu artigo pioneiro, que durante anos foi ignorado polo campo da  embriología. Quizais, porque a súa morte precoz impediulle revisar aquel documento que, mediante ecuacións matemáticas,  descodificó o gran enigma de como se forman os seres vivos.

Un triste final: Nado en Paddington-Londres en 1912, desenvolveu un modelo  computacional que foi o punto de partida da programación e os computadores. Tamén expuxo o test de  Turing para saber se unha máquina é capaz ou non de pensar. Tivo un mozo amante que axudou a un cómplice para entrar na súa casa para roubarlle. Cando lle denunciou,  Turing viuse obrigado a recoñecer á policía que era homosexual e foi condenado por iso. Preferiu aceptar un tratamento hormonal ao cárcere, o que lle conduciu ao suicidio en 1954: mordeu unha mazá envelenada con  cianuro.

FONTE: Núria Jar/lavanguardia.com