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

В старой коллекции находок из Костёнок нашли три кроманьонских зуба В старой коллекции находок из Костёнок нашли три кроманьонских зуба

Ученые обнаружили три кроманьонских человеческих зуба в Костёнки-1

N+1
Ставки эпохи возрождения Ставки эпохи возрождения

Что ожидает рынки акций после рекордных провалов

Деньги
Ученые объяснили, как езда на велосипеде способствует снижению риска развития деменции Ученые объяснили, как езда на велосипеде способствует снижению риска развития деменции

Езда на велосипеде полезнее, чем вы думали

ТехИнсайдер
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
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
«Что такое любовь»: девять необычных ответов на извечный вопрос «Что такое любовь»: девять необычных ответов на извечный вопрос

Что говорят о романтике и близости антропологи, психологи и другие специалисты

Forbes
Здоровый интерес: как традиционная китайская медицина сохраняет свою популярность Здоровый интерес: как традиционная китайская медицина сохраняет свою популярность

Жители Китая привыкли лечить то, что еще не болит

Вокруг света
Женщины в космосе: опасность, предубеждения и покорение Луны и Марса Женщины в космосе: опасность, предубеждения и покорение Луны и Марса

Почему женщины редко летают в космос?

Forbes
Какие разработки представили российские ученые в начале 2023 года Какие разработки представили российские ученые в начале 2023 года

Как семена конопли доберутся до кофеен и как фонарик измеряет уровень стресса

СНОБ
«Критикует и высмеивает»: на какие манипуляции идет абьюзер, чтобы подчинить женщину «Критикует и высмеивает»: на какие манипуляции идет абьюзер, чтобы подчинить женщину

«Вторая жена» Луизы Мэй: на какие манипуляции идет абьюзер, чтобы подчинять себе

Forbes
Самые сексуальные российские косплеерши рассказали (и показали!), как они отмечают День святого Валентина Самые сексуальные российские косплеерши рассказали (и показали!), как они отмечают День святого Валентина

Знакомим тебя с самыми яркими девушками страны

Maxim
Новый BMW X1 xDrive 23i. Первые впечатления Новый BMW X1 xDrive 23i. Первые впечатления

Мы прокатились на BMW X1 xDrive 23i, и вот что можем сказать

4x4 Club
Гипноз во сне с точки зрения науки: эффективная терапия или очередная Гипноз во сне с точки зрения науки: эффективная терапия или очередная

Разбираемся в гипнотическом сне: что это, эффективная терапия или шарлатанство?

ТехИнсайдер
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
Импакт и импакт-инвестиции в СМИ и социальных медиа | Impact and impact investing in traditional and social media Импакт и импакт-инвестиции в СМИ и социальных медиа | Impact and impact investing in traditional and social media

Как устроено импакт-инвестирование в России

Позитивные изменения
Люди превратили самолеты в обычные дома! Посмотрите на «крылатую жизнь» Люди превратили самолеты в обычные дома! Посмотрите на «крылатую жизнь»

Джо Энн Ассери пришла в голову странная идея: жить в самолете

ТехИнсайдер
Если коллегу травят: как решаются моральные дилеммы на работе Если коллегу травят: как решаются моральные дилеммы на работе

Отрывок из книги Сьюзан Лиото «Сила этики»

Forbes
Дагестанский феномен: как Хасбик за три года заработал больше $2 млн Дагестанский феномен: как Хасбик за три года заработал больше $2 млн

Как Хасбулла Магомедов смог заработать минимум $2,2 млн за три года?

Forbes
Доктор тюхтя Доктор тюхтя

История мальчика Миши, который всегда казался тихим и трусливым

СНОБ
Дом — полная чаша: как образ домохозяйки менялся в кино и в итоге пришел в TikTok Дом — полная чаша: как образ домохозяйки менялся в кино и в итоге пришел в TikTok

Как образ домохозяйки менялся на экране и почему не выдержал проверку временем

Forbes
«Невеликость жизни должна быть компенсирована величием державы»: зачем власти цензура «Невеликость жизни должна быть компенсирована величием державы»: зачем власти цензура

Что значит введение цензуры и отказ от свободы слова для российского общества?

Forbes
Широкая Масленица Широкая Масленица

Самый традиционный славянский праздник!

Лиза
Ему не впервой: каковы шансы построить отношения с разведенным мужчиной? Советы психолога Ему не впервой: каковы шансы построить отношения с разведенным мужчиной? Советы психолога

Какие существуют разновидности разведенных мужчин и какие с ними будут отношения

VOICE
Как научиться любить себя: лучшие книги для саморазвития Как научиться любить себя: лучшие книги для саморазвития

Книги, которые помогут открыть себя заново

ТехИнсайдер
Внутри человека: семь лучших фильмов и сериалов о психологии Внутри человека: семь лучших фильмов и сериалов о психологии

В подборке семь стоящих сериалов и фильмов о психологии и психологах

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
«Давай разведемся»: 5 случаев, когда брак лучше не сохранять «Давай разведемся»: 5 случаев, когда брак лучше не сохранять

Как понять, что вам пора подавать на развод?

Psychologies
«Голову лечи!»: 7 фраз, после которых стоит подумать о разводе «Голову лечи!»: 7 фраз, после которых стоит подумать о разводе

Семьи, в которой риторика перешла уже на такой уровень, больше не существует

Psychologies
Почему мы не можем похудеть: 5 главных ошибок — советы диетолога Почему мы не можем похудеть: 5 главных ошибок — советы диетолога

Занимаетесь спортом, питаетесь правильно, но лишний вес никуда не уходит?

Psychologies
Жерла планеты Жерла планеты

Действующие вулканы – это двери из огненного подземелья

Вокруг света
Открыть в приложении