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 древнем левантийском поселении изготавливали пурпур на протяжении 500 лет В древнем левантийском поселении изготавливали пурпур на протяжении 500 лет

В Тель-Шикмоне примерно 500 лет находился крупный центр по производству пурпура

N+1
Почему мы чувствуем себя одиноко: 4 основные причины Почему мы чувствуем себя одиноко: 4 основные причины

Почему нас настигает состояние одиночества и как из него выбраться?

Psychologies
«Астероиды: рожденные пламенем» «Астероиды: рожденные пламенем»

Как ученые научились анализировать состав астероидов

N+1
Врать будете? Врать будете?

Автор VOICE неделю говорила правду – и даже почти не устала

VOICE
Как быстро возбудить девушку: 12 способов (гид, который стоит держать под рукой) Как быстро возбудить девушку: 12 способов (гид, который стоит держать под рукой)

Не знаете, как быстро возбудить девушку до предела? Вы по адресу!

Playboy
Сергей Карпищенко: «Есть люди болезненные и менее болезненные. Это зависит не только от состояния иммунитета, но и от климата, условий жизни, питания, и многих других причин» Сергей Карпищенко: «Есть люди болезненные и менее болезненные. Это зависит не только от состояния иммунитета, но и от климата, условий жизни, питания, и многих других причин»

Доктор наук отвечает на важные вопросы на тему оториноларингологии

Здоровье
Золотое сечение Золотое сечение

Этот роскошный интерьер — современное прочтение классики и ар-деко

SALON-Interior
5 веских причин сказать «нет» и 5 шагов, чтобы сделать это корректно 5 веских причин сказать «нет» и 5 шагов, чтобы сделать это корректно

Как вежливо сказать «нет» и почему важно отказывать?

Psychologies
Дьявольская карусель: нераскрытая тайна океанских глубин Дьявольская карусель: нераскрытая тайна океанских глубин

Что такое "дьявольская карусель"? Ответ до сих пор не найден

ТехИнсайдер
Как пережить расставание с любимым человеком? 7 советов для излечения травмы Как пережить расставание с любимым человеком? 7 советов для излечения травмы

Поэтапный план излечения от травмы после расставания

VOICE
Право на спорт Право на спорт

История Специальных игр в мире началась 60 лет назад

Men Today
Сергей Потоцкий: «Не признавать законности захвата власти большевиками» Сергей Потоцкий: «Не признавать законности захвата власти большевиками»

Среди российских военных агентов особое место занимал Сергей Николаевич Потоцкий

Дилетант
8 советов, которые помогут вам развить эмоциональную связь с партнером 8 советов, которые помогут вам развить эмоциональную связь с партнером

Как укрепить эмоциональную связь с партнером

Psychologies
Бальзам для души Бальзам для души

Химики определили состав древнеегипетских веществ для бальзамирования

N+1
Танцуем и худеем Танцуем и худеем

8 самых эффективных тренировок, для которых нужна только музыка

Лиза
Этот актер играл Арагорна во Этот актер играл Арагорна во

Стюарт Таунсенд мог сыграть Арагорна

VOICE
Феминизм: как женщины борются за свои права Феминизм: как женщины борются за свои права

Как и почему зародился феминизм, и как его вообще понимать?

ТехИнсайдер
Как быстро убрать живот и привести себя в форму Как быстро убрать живот и привести себя в форму

Что делать, если покрасоваться подтянутой фигурой хочется уже сейчас?

ТехИнсайдер
Какие напитки лучше всего согревают Какие напитки лучше всего согревают

Так что все-таки пить, чтобы стало тепло не только на душе?

Maxim
«Печать ведет себя все хуже»: как в Российской империи и СССР цензурировали СМИ «Печать ведет себя все хуже»: как в Российской империи и СССР цензурировали СМИ

Рассказываем о становлении и развитии цензуры в прессе и публицистике

Forbes
Зачем новому Lexus LX 600 комплектация F Sport? Зачем новому Lexus LX 600 комплектация F Sport?

LX – премиальный внедорожник, который вполне осознанно можно испачкать в грязи

4x4 Club
Эволюция носителей: от перфокарт до SSD Эволюция носителей: от перфокарт до SSD

С чего началась история носителей информации?

CHIP
«Полимат» «Полимат»

История универсальных людей от Леонардо да Винчи до Сьюзен Сонтаг

N+1
«Одной левой»: как мужчина с церебральным параличом стал успешным писателем, художником и настоящим сердцеедом «Одной левой»: как мужчина с церебральным параличом стал успешным писателем, художником и настоящим сердцеедом

Своим примером Кристи Браун доказал, что у таланта нет границ!

ТехИнсайдер
«Я к вам пишу»: как возникло китайское женское письмо нюйшу «Я к вам пишу»: как возникло китайское женское письмо нюйшу

Как желание поддерживать переписку привело к изобретению отдельной письменности

Forbes
Замещение строптивого Замещение строптивого

Инвесторы получили локальную альтернативу заблокированным еврооблигациям

Деньги
10 фактов, которые притворяются мифами (и наоборот) о «зеленой фее» — абсенте 10 фактов, которые притворяются мифами (и наоборот) о «зеленой фее» — абсенте

Среди всех алкоголиков любители абсента стоят особняком

Maxim
«Секс по расписанию изменил нашу жизнь»: личная история — попробуйте с партнером «Секс по расписанию изменил нашу жизнь»: личная история — попробуйте с партнером

История, как секс по расписанию может изменить отношения с партнером

Psychologies
Почему затопили легендарную атомную субмарину «Дмитрий Донской»: подлодка, ставшая кошмаром США Почему затопили легендарную атомную субмарину «Дмитрий Донской»: подлодка, ставшая кошмаром США

Зачем подводная лодка «Дмитрий Донской» была выведена из эксплуатации

ТехИнсайдер
В Кении обнаружили олдованские орудия возрастом 2,6-3 миллиона лет В Кении обнаружили олдованские орудия возрастом 2,6-3 миллиона лет

Археологи обнаружили в Кении 330 олдованских каменных артефактов

N+1
Открыть в приложении