Quién no se ha fascinado alguna vez ante la belleza de las formas geométricas que inundan la naturaleza y el universo? Pensemos, por un momento, en el pelaje de algunos mamíferos (franjas en cebras, manchas poligonales en jirafas o punteado en guepardos), en la piel escamada de los peces, e incluso en distribuciones de vegetación. Estas formas geométricas, y muchas otras, a las que a partir de ahora llamaremos patrones, aparecen no sólo en el ámbito de la vida, sino también en una gran variedad de fenómenos naturales ajenos a ella. Por ejemplo, en fenómenos asociados a la dinámica de fluidos, como las células de convección solares (gránulos); en la dinámica de fracturas y procesos de formación geológica; en la formación de estructura a gran escala del universo (por ejemplo, galaxias y cúmulos galácticos) y en un gran número de fenómenos ópticos, que, desde la invención del láser, están revolucionando nuestro día a día.
Para un científico, la observación pasiva de esta belleza natural no es suficiente, e inevitablemente surgen una infinidad de preguntas: ¿cómo se forman estas estructuras?, ¿cuál es su origen y de qué depende su forma y su dinámica?, además, ¿por qué fenómenos y patrones tan similares aparecen en sistemas completamente diferentes? Pensemos, por ejemplo, en la similitud entre la distribución de franjas negras en el pelaje de las cebras y la distribución de las dunas en el desierto o en el fondo marino.
Para empezar, toda esta fenomenología emerge en lo que se denominan sistemas fuera del equilibrio termodinámico – sistemas donde se produce un intercambio continuo de materia y/o energía con el medio que los rodea –. En ellos, la autoorganización entre los diferentes elementos que forman el sistema es la que da lugar, de forma espontánea, a la aparición de estructuras espaciotemporales ordenadas: los patrones. Sorprendentemente, la emergencia y forma de estas estructuras no está inducida ni por las características particulares del sistema, ni por agentes externos, sino por comportamientos colectivos genéricos que involucran una gran cantidad de componentes – sean estos átomos, moléculas o células – y que interaccionan de forma no lineal (es decir, las relaciones causa-efecto en estos sistemas no son proporcionales).
Uno de los aspectos más intrigantes de la dinámica que gobierna estos fenómenos es que la aparición de patrones espaciotemporales está íntimamente ligada al concepto de inestabilidad. Una inestabilidad ocurre cuando, debido a la modificación de una variable del sistema, se produce un cambio repentino en el mismo. La inestabilidad puede estar asociada a la creación/destrucción de un patrón, pero también generar un cambio en el comportamiento del sistema, dando lugar a dinámicas complejas muy ricas: oscilaciones autosostenidas, como las asociadas a división celular y latidos cardiacos, movimiento caótico, como la turbulencia en fluidos, e incluso excitabilidad, un fenómeno que rige el funcionamiento de las neuronas, y por ende, de los procesos cognitivos.
Pues bien, en 1952, Alan Turing (sí, el mismo Turing que descifró la máquina enigma de los Nazis y sentó las bases de la computación) explicó el origen de los patrones en los denominados sistemas de reacción-difusión. En su artículo ¨The chemical basis of morphonegenis¨, Turing propuso que la interacción entre los procesos de difusión de reactivos químicos y sus interacciones no lineales, inherentes a estos sistemas, podrían dar lugar, vía una inestabilidad – que ahora denominamos de Turing – a la aparición espontánea de patrones espaciales a partir de un estado uniforme del sistema. La emergencia de patrones en sistemas químicos, biológicos, ecológicos, y en muchos sistemas físicos, está descrita por esta inestabilidad.
Al igual que el modelo estándar de las partículas unificó tres de las cuatro interacciones fundamentales bajo el paraguas de una sola teoría (faltaría por incluir la gravedad), los conceptos introducidos por Turing, junto a diversas aportaciones de la teoría de sistemas dinámicos, sentaron las bases de un paradigma unificador para explicar, con toda universalidad, el origen de la forma y la dinámica de todo un abanico de fenómenos espacio-temporales complejos en disciplinas aparentemente lejanas, abarcando desde la biología a la física.
