Откуда берутся дактилоскопические узоры и что делает их уникальными

N+1Наука

Тьюринг на пальцах

Откуда берутся дактилоскопические узоры и что делает их уникальными

Полина Лосева

К отпечаткам наших пальцев внимательно присматриваются не только пограничники и криминалисты. Долгое время ими интересовались еще и врачи — в попытках найти связь между изгибами линий и сокрытыми внутри человеческого тела болезнями. И кое-что они действительно выяснили: например, что при некоторых пороках развития одни узоры встречаются чаще, или на пальцах и вовсе появляются какие-то новые рисунки. Причем это заметили не только у детей с генетическими аномалиями, вроде синдрома Дауна и других трисомий, но и у тех, на кого в утробе матери подействовал какой-нибудь тератоген, — вроде талидомида или вируса краснухи.

Сегодня, впрочем, едва ли кому-то придет в голову диагностировать генетические болезни по отпечаткам пальцев — на то есть куда более яркие симптомы и генетические тесты. Поэтому никто так и не выяснил, как хромосомные аномалии связаны с рисунками на пальцах.

Но теперь за отпечатки пальцев взялись эмбриологи — чтобы выяснить, откуда они вообще берутся. Мы знаем, что это не совсем случайный процесс, потому что форма центральных линий на подушечках пальцев довольно неплохо наследуется. Мы знаем, что он связан со множеством генов сразу, — помимо хромосомных аномалий, ученые находили десятки локусов, которые как-то коррелируют с формой отпечатка. Теперь вопрос в том, на что эти гены влияют. И как на выходе получаются рисунки — настолько разнообразные, что мы еще ни разу не встретили двух одинаковых?

Рисуем пальцы

Давайте сначала посмотрим на то, откуда берутся сами пальцы.

Пальцы закладываются после пятой недели развития человеческого зародыша. Тогда будущая конечность больше похожа на японский веер или шляпочный гриб, чем на руку или ногу. В центре этого гриба образуется скопление скелетных клеток — потом на этом месте появится кость плеча или бедра. Дальше группа клеток распадается на две — это будущие лучевая и локтевая кости (или большая и малая берцовая, если речь о ноге). А еще ближе к краю кучек становится уже пять — это прообразы костей запястья и фаланг.

Так развиваются передняя (сверху) и задняя (снизу) лапки мыши. Стадии те же самые, что и у людей. Zhe Wang et al. / Proceedings of Royal Society B, 2014

Как клетки договариваются о том, что плечевая кость будет только одна, объяснить несложно: достаточно представить, что они выделяют какой-нибудь сигнальный белок-ингибитор, который запрещает всем окружающим тканям превращаться в скелет.

Как сделать две кости, тоже придумать можно: поскольку бугорок растет и ширится, то ингибитор не успевает доплыть до его краев. И там появляется следующая группа клеток. А на третью места уже не хватает.

Но как добиться того, чтобы в ткани появились сразу пять клеточных кучек на равных расстояниях?

Для этого понадобится уже не один сигнальный белок, а по меньшей мере два. В развивающейся конечности это Sox9 и Bmp2. Sox9 заставляет клетки превращаться в скелет, Bmp2 — в межпальцевую соединительную ткань. При этом Bmp2 производится по всему бугорку и быстро растекается по ткани. А Sox9 производится только там, где клетка получила сигнал Bmp2, диффундирует медленно и блокирует работу Bmp2, который его запустил.

Сложные взаимоотношения между двумя сигнальными веществами приводят к тому, что со временем в ткани образуются стоячие волны их концентраций. В случае с конечностями в роли активатора (A) выступает Sox9, а в роли субстрата (S) — Bmp2. J. Raspopovic et al. / Science, 2014

Как эта система работает: сначала все клетки бугорка производят какое-то количество Sox9 и Bmp2, которого недостаточно, чтобы заставить клетку превратиться в тот или другой тип. Но в какой-то момент где-то Bmp2 становится чуть больше — это происходит совершенно случайно (но неизбежно). Он растекается по ткани и заставляет соседние клетки производить больше Sox9. Sox9 подавляет Bmp2, но по ткани двигается гораздо хуже, поэтому в центре изначальной вспышки появляется островок Sox9, а вокруг него клетки продолжают производить Bmp2. Там, где его скапливается побольше, вновь начинает расти островок Sox9. И вот по всей ткани бегут волны этих двух белков.

«Вспышек» Bmp2, как правило, несколько, поэтому волны стартуют из нескольких мест сразу. И в какой-то момент встречаются и складываются — получается стоячая волна. Образуются зоны, где устойчиво повышена концентрация Sox9 или Bmp2: первые станут пальцами, вторые оставят между этими пальцами пустое пространство.

Пятна, перья, крылья — и снова пальцы

Такая схема образования пальцев — частный случай модели, с помощью которой британский математик Алан Тьюринг описал самые разные процессы внутри зародыша: от лево-правой симметрии до появления рисунка из пятен на коже. Все это, предполагал он, получается из нестабильности системы. Нестабильность возникает как следствие увеличения шума. А уж какое-нибудь неравенство — по крайней мере в живой системе — неизбежно да возникнет.

Не во всех случаях в модели Тьюринга образуются стоячие волны. Иногда умножение шума приводит просто к тому, что две части системы обзаводятся разными свойствами — например, одна половина тела становится правой, а другая левой. Но при некоторых значениях параметров можно получить пятна. Здесь изображены те, которые рассчитал сам математик/ A. M. Turing / Philosophical Transactions of the Royal Society of London. Series B, 1952

По Тьюрингу, после того, как прежде гомогенная система хотя бы в одном месте стала гетерогенной — например, клетка случайно произвела чуть больше белка, чем обычно, — эта гетерогенность дальше только усиливается. Для этого нужна петля положительной обратной связи, то есть сигнальный белок-активатор, который усиливает производство самого себя. А еще нужен механизм, который будет ограничивать это неравенство в пространстве, — то есть белок-ингибитор. Он должен тормозить активатор и лучше распространяться по ткани. Тогда будут возникать зоны, где активатор не работает.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Астрономы разрешили Земле пережить превращение Солнца в красного гиганта Астрономы разрешили Земле пережить превращение Солнца в красного гиганта

Земля может пережить расширение Солнца во время фазы красного гиганта

N+1
Поножовщина в 5 классе: семейный психолог о трагедии в Химках Поножовщина в 5 классе: семейный психолог о трагедии в Химках

Почему пятиклассница напала на бывшую подружку с кухонным ножом? Мнение эксперта

Psychologies
«Наука о чужих. Как ученые объясняют возможность жизни на других планетах» «Наука о чужих. Как ученые объясняют возможность жизни на других планетах»

Как инопланетян начали искать с помощью радиотелескопов

N+1
Могут ли на одном растении вырасти разные фрукты или овощи? Ответ вас удивит Могут ли на одном растении вырасти разные фрукты или овощи? Ответ вас удивит

Вырастить богатый и разнообразный урожай можно всего лишь на паре растений!

ТехИнсайдер
6 секретов мышления по-настоящему богатых людей 6 секретов мышления по-настоящему богатых людей

Зарабатывать деньги нужно, думая нестандартно: как это делают богатые люди?

Inc.
Какой вид спорта выбрать, если куришь: объясняет врач Какой вид спорта выбрать, если куришь: объясняет врач

Насколько здоровье курильщиков позволяет им заниматься спортом и какой лучше?

Maxim
5 новых ярких имен научной фантастики, о которых ты, скорее всего, не слышал 5 новых ярких имен научной фантастики, о которых ты, скорее всего, не слышал

В любом направлении литературы регулярно появляются новые примечательные авторы.

Maxim
Ученые из Кембриджа: 4-дневная рабочая неделя делает сотрудников счастливее, а бизнес — богаче Ученые из Кембриджа: 4-дневная рабочая неделя делает сотрудников счастливее, а бизнес — богаче

Сокращение рабочего времени на 20% в неделю привело к отличным результатам

Inc.
Почему у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев. Ученые дали ответ Почему у однояйцевых близнецов разные отпечатки пальцев. Ученые дали ответ

Почему даже у однояйцевых близнецов не бывает одинаковых отпечатков пальцев

ТехИнсайдер
Скрытый рынок: у женщины с Уолл-стрит появилась идея, как бороться с неравенством Скрытый рынок: у женщины с Уолл-стрит появилась идея, как бороться с неравенством

Как Меллоди Хобсон борется с расовой дискриминацией в корпоративном мире

Forbes
3 способа (не) обесценивать себя: мужчины честно о том, как используют слабые стороны женщин 3 способа (не) обесценивать себя: мужчины честно о том, как используют слабые стороны женщин

Как и почему три кита успешных отношений могут обернуться против вас

Psychologies
Отпустите меня! Отпустите меня!

Что делать, когда партнер хочет провести отдельно выходные или отпуск?

Добрые советы
12 лучших эпизодов великого сериала «Коломбо» 12 лучших эпизодов великого сериала «Коломбо»

Мы оставляем тебе улики и подсказки, с чего начинать смотреть сериал

Maxim
Врач по доверию Врач по доверию

Viribus unitis, общими усилиями, — так звучит девиз нового врачебного сообщества

Эксперт
«Я родила ребенка от донора». Зачатие с донорской спермой: технология, этика, бизнес «Я родила ребенка от донора». Зачатие с донорской спермой: технология, этика, бизнес

Традиционный сценарий «вышла замуж — забеременела — родила» уходит в прошлое

СНОБ
Символ небогатой жизни: почему страны, где растет кокос, считаются бедными Символ небогатой жизни: почему страны, где растет кокос, считаются бедными

Есть ли связь между кокосами и бедностью?

ТехИнсайдер
Письма музе: Белла Хадид, Эшли Грэм и Саша Пивоварова в календаре Pirelli — 2023 Письма музе: Белла Хадид, Эшли Грэм и Саша Пивоварова в календаре Pirelli — 2023

Как создавался 49-й календарь Pirelli

Forbes
Самые главные и культовые водки СССР Самые главные и культовые водки СССР

У разных брендов советских водок были свои почитатели!

Maxim
Отрывок из книжного сериала Ислама Ханипаева «Луна 84» Отрывок из книжного сериала Ислама Ханипаева «Луна 84»

На сервисе «Букмейт» вышли два первых эпизода книжного сериала «Луна 84»

СНОБ

Как возникают мифы о женщинах и кто их распространяет

VOICE
Десять значимых событий 2022 Десять значимых событий 2022

Что произошло в науке за 2022 год

Наука и жизнь
Почему британские компании переходят на четырехдневную рабочую неделю Почему британские компании переходят на четырехдневную рабочую неделю

Британские компании решили сохранить четырехдневную рабочую неделю

СНОБ
Несмертельный развод: такое бывает? Несмертельный развод: такое бывает?

Давно пора пересмотреть саму идею трагичности развода и его травму

VOICE
Блиц-интервью: Георгий Дронов Блиц-интервью: Георгий Дронов

Актер Георгий Дронов — об отношении к своей популярности и «папе» Борисе Клюеве

Лиза
Как стать поддержкой для самого себя. 7 инсайтов из книги «Внутренняя опора» Как стать поддержкой для самого себя. 7 инсайтов из книги «Внутренняя опора»

Опираясь на самого себя, вы обретаете силу, которую не одолеть никому

Psychologies
Платежные стикеры: что это такое и насколько они безопасны? Платежные стикеры: что это такое и насколько они безопасны?

Стоит ли пользоваться платежными стикерами?

CHIP
Как вьетнамский беженец Дэвид Тран стал миллиардером благодаря острому соусу Как вьетнамский беженец Дэвид Тран стал миллиардером благодаря острому соусу

Как Дэвид Тран превратил производство соуса шрирача в многомиллиардный бизнес

Forbes
Глина навсегда: посмотрите на 7 впечатляющих керамических артефактов Глина навсегда: посмотрите на 7 впечатляющих керамических артефактов

Дошедшие до нас горшки и другие сосуды могут поведать много интересного

Вокруг света
Как лоботомия разрушила жизнь сестры Джона Кеннеди и сделала ее позором семьи Как лоботомия разрушила жизнь сестры Джона Кеннеди и сделала ее позором семьи

Почему сестру Джона Кеннеди скрыли от публики?

VOICE
Поговори мне тут: как происходит революция в мире ИИ Поговори мне тут: как происходит революция в мире ИИ

Почему нейросети стали походить на людей?

РБК
Открыть в приложении