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

Губки на роструме снизили эффективность эхолокации афалин Губки на роструме снизили эффективность эхолокации афалин

Почему афалины редко охотятся с губками на роструме?

N+1
Музыкант, миллионер, дизайнер: как Фаррелл Уильямс получил работу в Louis Vuitton Музыкант, миллионер, дизайнер: как Фаррелл Уильямс получил работу в Louis Vuitton

На что рассчитывает французский модный дом, принимая Фаррелла Уильямса

Forbes
Прежде, чем выйти из Африки, люди научились выживать в самых разных условиях Прежде, чем выйти из Африки, люди научились выживать в самых разных условиях

Какие факторы способствовали успешной миграции человека из Африки?

ТехИнсайдер
Кругом тёзки Кругом тёзки

В живом мире плодятся всё новые и новые тёзки

Наука и жизнь
Пластичность мозга Пластичность мозга

Потрясающие факты о том, как мысли способны менять структуру и функции мозга

kiozk originals
Как диета влияет на психическое здоровье ребенка Как диета влияет на психическое здоровье ребенка

Хорошая, сбалансированная диета сделает психику ребенка более устойчивой

ТехИнсайдер
Хорошая машина должна быть танком: первый российский тест-драйв Tank 300 Хорошая машина должна быть танком: первый российский тест-драйв Tank 300

К этому автомобилю вы точно не начнете обращаться «Моя красавица»

ТехИнсайдер
В ядре Земли идет странный кремниевый снег, который падает не вниз, а вверх В ядре Земли идет странный кремниевый снег, который падает не вниз, а вверх

Что находится внутри Земли?

ТехИнсайдер
На Сатурне сезон спиц: что это за явление и при чем здесь времена года? На Сатурне сезон спиц: что это за явление и при чем здесь времена года?

Астрономы ждут сатурнианского равноденствия, чтобы оценить спицы во всей красе

Вокруг света
От кукольного домика к уборке дома: как художницы переосмысляли домашний труд От кукольного домика к уборке дома: как художницы переосмысляли домашний труд

Художницы, которые в своих произведениях обращались к теме невидимого труда

Forbes
Время страстей человеческих Время страстей человеческих

К Александру Добровинскому редакция обратилась по причине его любви к часам

Robb Report
«Спи, учи стихи или умри»: зачем программисту хорошая память и как её улучшить «Спи, учи стихи или умри»: зачем программисту хорошая память и как её улучшить

Для успехов в работе с кодом недостаточно технических знаний и логики

VC.RU
Врач назвала продукты, вызывающие старение кожи. Откажитесь от них, чтобы выглядеть моложе! Врач назвала продукты, вызывающие старение кожи. Откажитесь от них, чтобы выглядеть моложе!

Продукты, которые вызывают сухость кожи и преждевременные морщины

ТехИнсайдер
Бесполезные юристы, быстрые контракты и долгие разговоры: как вести бизнес в США Бесполезные юристы, быстрые контракты и долгие разговоры: как вести бизнес в США

К особенностями бизнеса по-американски надо готовиться?

Forbes
«Играю не только сильных героинь»: Александра Бортич о сериале «Фишер» и новых ролях «Играю не только сильных героинь»: Александра Бортич о сериале «Фишер» и новых ролях

Александра Бортич — про уместность мрачного кино в современных реалиях

Forbes
Медом намазано. 10 сортов с лучшими свойствами Медом намазано. 10 сортов с лучшими свойствами

Как выбрать лучший мед среди множества разновидностей?

Лиза
Меню для страсти. Топ-5 коктейлей этой зимы Меню для страсти. Топ-5 коктейлей этой зимы

Для особенного вечера нужен и подходящий антураж, и правильное меню

Лиза
Жизнь остановилась: как пережить утрату близкого Жизнь остановилась: как пережить утрату близкого

Как помочь себе справиться с горем?

Psychologies
Жизнь других Жизнь других

Жизнь проходит мимо вас, пока другие берут от нее всё? Скорее всего, у вас FOMO

Men Today
5 увлекательных фэнтези-романов, основанных на реальных событиях 5 увлекательных фэнтези-романов, основанных на реальных событиях

Фэнтезийные романы, вдохновленные земной историей

Maxim
Как упростить процесс сепарации для детей: 3 совета родителям Как упростить процесс сепарации для детей: 3 совета родителям

Почему ребенку так важно обрести самость и что для этого могут сделать родители?

Psychologies
Людмила Целиковская: «Мне надоело бегать по рынкам, магазинам и зарабатывать деньги. Хочу раз в году ничего не делать» Людмила Целиковская: «Мне надоело бегать по рынкам, магазинам и зарабатывать деньги. Хочу раз в году ничего не делать»

Личная переписка легендарной актрисы Людмилы Целиковской

Коллекция. Караван историй
Народный альтист Народный альтист

Юрий Башмет о коллекционировании, великих друзьях и о концертах в день рождения

Robb Report
7 чудес света: античные и современные 7 чудес света: античные и современные

Античные и новые чудеса света, на которые можно взглянуть сейчас

ТехИнсайдер
Кто такой «маленький человек» в литературе? Кто такой «маленький человек» в литературе?

«Маленький человек» — литературный герой без амбиций

Культура.РФ
Искусство игнорировать дела. Почему важно научиться прокрастинировать Искусство игнорировать дела. Почему важно научиться прокрастинировать

Отрывок из книги «Четыре тысячи недель: Тайм-менеджмент для смертных»

СНОБ
«Слишком быстро кончил»: почему так бывает и как изменить сценарий секса «Слишком быстро кончил»: почему так бывает и как изменить сценарий секса

Что можно сделать, чтобы продлить удовольствие — себе и партнерше?

Psychologies
Устроить дом… и взять его с собой Устроить дом… и взять его с собой

Что на самом деле о нас говорят тенденции в обустройстве дома?

Psychologies
Анализ ДНК помог найти виновников жестокого убийства подростка в 1975 году Анализ ДНК помог найти виновников жестокого убийства подростка в 1975 году

Даже самые сложные преступления порой сдаются под натиском технологий

ТехИнсайдер
Как сохранить нервы и не перегореть на работе? Стоит узнать! Как сохранить нервы и не перегореть на работе? Стоит узнать!

Как сохранить свое ментальное здоровье на работе?

ТехИнсайдер
Открыть в приложении