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

Облака над сушей уменьшили нисходящее длинноволновое излучение Облака над сушей уменьшили нисходящее длинноволновое излучение

Еще один природный механизм, противостоящий потеплению

N+1
Задолго до человека: кто создал древнейшие каменные орудия Задолго до человека: кто создал древнейшие каменные орудия

Создатели этих каменных орудий не были людьми и даже прямыми предками людей

Forbes
Генетики получили полные геномы 6 видов человекообразных обезьян Генетики получили полные геномы 6 видов человекообразных обезьян

Ученые секвенировали полные геномы шести видов человекообразных обезьян

ТехИнсайдер
7 продуктов, которые поддержат силы в пост 7 продуктов, которые поддержат силы в пост

Какие продукты помогут не испытывать голод и усталость в пост?

РБК
Это не то,что вы подумали: страпонтен, клитория, епитрахиль — слова, за которые вам не должно быть стыдно Это не то,что вы подумали: страпонтен, клитория, епитрахиль — слова, за которые вам не должно быть стыдно

О словах, за которые вам не должно быть стыдно, пусть и звучат они забавно

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

Стоит ли пользоваться платежными стикерами?

CHIP
Гедонистическая адаптация: почему мы действительно к хорошему быстро привыкаем Гедонистическая адаптация: почему мы действительно к хорошему быстро привыкаем

Почему стать счастливым не так просто и что такое гедонистическая адаптация

Forbes
Ученый предложил простое научное объяснение случаям встречи человека и йети Ученый предложил простое научное объяснение случаям встречи человека и йети

Кого люди видели в темном лесу: йети или просто медведя?

ТехИнсайдер
«Утечка мозгов»: как дети делают нас глупее, но добрее «Утечка мозгов»: как дети делают нас глупее, но добрее

Что меняется в голове у мам, пап и бабушек и почему после рождения ребенка?

СНОБ
Найден способ эффективно и относительно дешево удалять CO2 из морской воды — это лучше, чем поглощать его из воздуха Найден способ эффективно и относительно дешево удалять CO2 из морской воды — это лучше, чем поглощать его из воздуха

Извлечение парниковых газов из воды — идея, звучащая странно

ТехИнсайдер
Нашей лепки Нашей лепки

Пельмени – визитная карточка русской кухни

Лиза
Сангвиник, холерик, флегматик, меланхолик: как типы темперамента проявляются у мужчин — взгляд психолога Сангвиник, холерик, флегматик, меланхолик: как типы темперамента проявляются у мужчин — взгляд психолога

Как четыре типа темперамента проявляются у мужчин и как с ними совладать

Psychologies
Есть ли жизнь после выгорания: 5 фактов об этом непростом периоде Есть ли жизнь после выгорания: 5 фактов об этом непростом периоде

Поговорим о том, есть ли жизнь после выгорания и какой она может быть

Psychologies
Эти продукты помогут вам укрепить иммунитет! Включите их в свой рацион уже сейчас Эти продукты помогут вам укрепить иммунитет! Включите их в свой рацион уже сейчас

Продукты, которые обеспечат организм ключевыми питательными веществами

ТехИнсайдер
Татьяна Устинова: «Любого придуманного героя еще надо оживить...» Татьяна Устинова: «Любого придуманного героя еще надо оживить...»

Я люблю свою работу за то, что открываю ноутбук и оказываюсь там, где хочется

Коллекция. Караван историй
Эмоциональный развод: что это и как его пережить Эмоциональный развод: что это и как его пережить

Почему супруги продолжают жить под одной крышей, но каждый живет отдельную жизнь

Psychologies
Отстаньте, противные! Отстаньте, противные!

Заеды: как облегчить свое состояние?

Лиза
Что нужно знать перед свадьбой? Совет женщинам для важных решений в жизни Что нужно знать перед свадьбой? Совет женщинам для важных решений в жизни

Финансы, свадьба и важные решения в жизни: советы

ТехИнсайдер
Спасительница Линкольна: как Кейт Уорн стала первой женщиной-детективом в США Спасительница Линкольна: как Кейт Уорн стала первой женщиной-детективом в США

Кейт Уорн — женская версия Шерлока Холмса, существовавшая на самом деле

Forbes
Мальчик, который выше: как Гарри Стайлс плюет на стереотипы и меняет мужской гардероб Мальчик, который выше: как Гарри Стайлс плюет на стереотипы и меняет мужской гардероб

Рассказываем и показываем, с помощью чего Стайлс творит революцию в мужской моде

Правила жизни
10 вещей, которые мужчины никогда не поймут в женщинах 10 вещей, которые мужчины никогда не поймут в женщинах

Особенности женского поведения, которые мужчины не поймут

Maxim
Безразличие, замкнутость, заторможенность: что такое эмоциональная бесчувственность — 8 признаков Безразличие, замкнутость, заторможенность: что такое эмоциональная бесчувственность — 8 признаков

Как проявляется и лечится эмоциональная бесчувственность

Psychologies
Посмотрите на древнеримский фаллос — ему 2 тысячи лет! Ученые сомневаются в его предназначении Посмотрите на древнеримский фаллос — ему 2 тысячи лет! Ученые сомневаются в его предназначении

Исследователи вновь решились изучить находку 1992 года. Вот что они выяснили

ТехИнсайдер
«Слепой» маньяк: узнав историю Олега Косарева, ты больше никогда не сядешь в лифт с незнакомцем «Слепой» маньяк: узнав историю Олега Косарева, ты больше никогда не сядешь в лифт с незнакомцем

Уже в заключении Косарев написал исповедь

VOICE
Выхода нет: что такое цугцванг и как из него выбраться Выхода нет: что такое цугцванг и как из него выбраться

Что такое цугцванг в общественной и личной жизни и как с ним справиться

Forbes
Успеть до весны: 5 процедур, которые стоит сделать прямо сейчас Успеть до весны: 5 процедур, которые стоит сделать прямо сейчас

Специалисты считают зиму лучшим периодом для активных омолаживающих процедур

Правила жизни
«Я подумаю об этом завтра»: 10 способов не тратить свободное время на мысли о работе «Я подумаю об этом завтра»: 10 способов не тратить свободное время на мысли о работе

Трудоголизм чаще всего перерастает в профессиональное выгорание

Psychologies
Красные флаги: восемь поводов сменить инвестиционного советника Красные флаги: восемь поводов сменить инвестиционного советника

Как выбрать инвестиционного советника и на что обратить внимание?

Forbes
Дух места Дух места

Квартира в дореволюционном доме, в которой соединились традиции и современность

SALON-Interior
Шизофрения: спастись от расщепления Шизофрения: спастись от расщепления

Согласно статистике, на планете 0,5% людей страдают шизофренией

ТехИнсайдер
Открыть в приложении