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

Базальты с обратной стороны Луны возникли из истощенной мантии Базальты с обратной стороны Луны возникли из истощенной мантии

Источником базальтов, добытых станцией «Чанъэ-6», была мантия из слоев Луны

N+1
Все о куперозе: что делать с краснотой, сосудистыми звездочками и паутинкой на лице Все о куперозе: что делать с краснотой, сосудистыми звездочками и паутинкой на лице

Расспросили эксперта о причинах купероза, его лечении и профилактике

Правила жизни
Самый научный и логичный в мире: 10 фактов о корейском алфавите Самый научный и логичный в мире: 10 фактов о корейском алфавите

Хангыль: самый простой, логичный и необычный алфавит мира

ТехИнсайдер
Аутизм: путь к социуму Аутизм: путь к социуму

Что такое аутизм и чем "дети дождя" отличаются от остальных?

ТехИнсайдер
Лекарство от уныния: как философия помогает бороться с тревогой и внутренней пустотой Лекарство от уныния: как философия помогает бороться с тревогой и внутренней пустотой

Почему в мире бесконечных возможностей мы все чаще чувствуем тревогу, пустоту?

Forbes
Хороший, плохой, святой Хороший, плохой, святой

Агунг – центр вселенной и обиталище богов в Индонезии

Вокруг света
12 утраченных сокровищ и артефактов, которые продолжают искать 12 утраченных сокровищ и артефактов, которые продолжают искать

Многие из этих сокровищ, скорее всего, исчезли навсегда

Вокруг света
Вокруг света Вокруг света

Об интерьерных традициях, которые стоит перенять у жителей разных стран

Лиза
Тотал блонд: стоит ли осветлять волосы и как за ними ухаживать Тотал блонд: стоит ли осветлять волосы и как за ними ухаживать

Разбираемся вместе с экспертом, в чем особенности окрашивания «тотал блонд»

РБК
Как океаны избавляются от миллионов тонн пластикового мусора: планета против человека Как океаны избавляются от миллионов тонн пластикового мусора: планета против человека

Что именно происходит с пластиком, когда он попадает в океан?

ТехИнсайдер
«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
Фигурист, потерявший ногу: трагическая история спортсмена Ивана Самоделкина Фигурист, потерявший ногу: трагическая история спортсмена Ивана Самоделкина

Как живет Иван Самоделкин - фигурист, который потерял ногу

VOICE
«Метазоа: Зарождение разума в животном мире» «Метазоа: Зарождение разума в животном мире»

Что морские создания могут рассказать об эволюции человека

N+1
Методика Outcome Mapping | Outcome Mapping, or Creating a map of behavioral changes Методика Outcome Mapping | Outcome Mapping, or Creating a map of behavioral changes

Создание карт поведенческих изменений

Позитивные изменения
Правильный йогурт Правильный йогурт

Калорийность, состав и еще 6 признаков качественной «молочки»

Лиза
Назад в будущее: краткая история японского бренда уличной одежды BAPE, который любят Фаррел Уильямс, Канье Уэст и Дрейк Назад в будущее: краткая история японского бренда уличной одежды BAPE, который любят Фаррел Уильямс, Канье Уэст и Дрейк

Рассказываем историю бренда A Bathing Ape

Правила жизни
«Живу с мужчинами, которые меня содержат»: история читательницы и мнение психологов «Живу с мужчинами, которые меня содержат»: история читательницы и мнение психологов

Быть зависимой от мужчины — самая честная форма отношения

Psychologies
Должны ли внуки благодарить за денежные подарки: 3 точки зрения — советы бабушкам и дедушкам Должны ли внуки благодарить за денежные подарки: 3 точки зрения — советы бабушкам и дедушкам

Деньги в подарок от бабушек часто воспринимаются как само собой разумеющееся

Psychologies
Урановый аэрогель как идеальное топливо для космических ядерных двигателей: новое решение старой проблемы Урановый аэрогель как идеальное топливо для космических ядерных двигателей: новое решение старой проблемы

Новых идеи двигателей для перемещения по космосу возникает все больше

ТехИнсайдер
Как говорить с партнером о проблемах в отношениях: 4 простых совета Как говорить с партнером о проблемах в отношениях: 4 простых совета

Как понять, какой партнер подходит для отношений, а какой нет?

Psychologies
Крах диктатуры, биографии Черчилля и Наполеона: самый ожидаемый нон-фикшен 2023 года Крах диктатуры, биографии Черчилля и Наполеона: самый ожидаемый нон-фикшен 2023 года

Календарь выхода наиболее интересных новинок в жанре нон-фикшен в 2023 год

Forbes
Неандертальцы поймали крабов и поджарили их на углях Неандертальцы поймали крабов и поджарили их на углях

Находки из португальской пещеры Фигейра-Брава

N+1
Как вести интимный дневник: 6 главных принципов — улучшите сексуальную жизнь Как вести интимный дневник: 6 главных принципов — улучшите сексуальную жизнь

Ведение интимного дневника — способ изучить нашу сексуальную жизнь

Psychologies
Главная советская страшилка о маньяке: как сериал «Фишер» объясняет природу насилия Главная советская страшилка о маньяке: как сериал «Фишер» объясняет природу насилия

Как сериал «Фишер» объясняет природу насилия в людях

Forbes
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
Окситоцин: панацея от всех бед Окситоцин: панацея от всех бед

Действительно ли окситоцин всемогущ?

ТехИнсайдер
Как проявляется кризис среднего возраста у женщин: 4 сценария и способы их изменить Как проявляется кризис среднего возраста у женщин: 4 сценария и способы их изменить

Как предотвратить кризис среднего возраста?

Psychologies
Почему нельзя пропускать завтрак и еще 7 важных вопросов о еде по утрам Почему нельзя пропускать завтрак и еще 7 важных вопросов о еде по утрам

Что нужно есть на завтрак?

Правила жизни
Диета для похудения живота и боков: миф или реальность? Диета для похудения живота и боков: миф или реальность?

Что нужно делать, чтобы придать телу желаемые очертания?

Лиза
Классика для молодёжи Классика для молодёжи

Комфортный современный интерьер на классической основе для молодых людей

SALON-Interior
Открыть в приложении