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

Переплавка Луны омолодила ее на пару сотен миллионов лет Переплавка Луны омолодила ее на пару сотен миллионов лет

Планетологи заново оценили возраст Луны, теперь он составляет 4,43–4,53 млрд лет

N+1
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
От мегалодона до мамонта: что, если бы животные эпохи плейстоцена дожили до наших дней От мегалодона до мамонта: что, если бы животные эпохи плейстоцена дожили до наших дней

Каким бы был мир, если бы гигантские грызуны и акулы дожили до наших дней?

ТехИнсайдер
В центре Школы будущего будет стоять ребенок | At the Center of the School of the Future will be the Child В центре Школы будущего будет стоять ребенок | At the Center of the School of the Future will be the Child

Журналист Александр Мурашев — как школа может стать жизненным навигатором

Позитивные изменения
Что такое дневник питания, как его вести: разбираемся вместе с диетологом Что такое дневник питания, как его вести: разбираемся вместе с диетологом

Дневник питания — это простой, но эффективный способ контролировать свой рацион

РБК
Почему он со мной не делится: 7 причин замкнутости подростка Почему он со мной не делится: 7 причин замкнутости подростка

Почему подростки перестают общаться со своими родителями

СНОБ
Как избавиться от постакне: 8 способов и советы косметолога Как избавиться от постакне: 8 способов и советы косметолога

Как избавиться от постакне доступными способами?

РБК
Подобрать образ для метавселенной: как индустрия моды примеряет на себя мир NFT Подобрать образ для метавселенной: как индустрия моды примеряет на себя мир NFT

Какие проекты, связанные с NFT, запускаются в индустрии моды

Forbes
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
Слишком мечтательная феминистка: как Незихе Мухиддин боролась за равноправие в Турции Слишком мечтательная феминистка: как Незихе Мухиддин боролась за равноправие в Турции

Вспоминаем историю феминистки Незихе Мухиддин

Forbes
Чапаев не тонет Чапаев не тонет

Герой братьев Васильевых как произведение концептуального искусства

Weekend
Закрытый клуб гениев: почему гендерное неравенство в математике так сложно преодолеть Закрытый клуб гениев: почему гендерное неравенство в математике так сложно преодолеть

Неравенство в точных науках обсуждается давно. Ситуация меняется, но медленно

Forbes
«Не давайте отношениям с абьюзером второго шанса»: история одного расставания, рассказанная год спустя «Не давайте отношениям с абьюзером второго шанса»: история одного расставания, рассказанная год спустя

Если мы прощаем абьюзера, то даем второй шанс продолжению насилия

Psychologies
Страсти русского «царь-баса»: как Федор Шаляпин жил на две семьи Страсти русского «царь-баса»: как Федор Шаляпин жил на две семьи

Запутанная личная жизнь Федора Шаляпина

VOICE
«Катастрофа была не за горами». Как исследователи и псевдоученые искали эликсир вечной жизни «Катастрофа была не за горами». Как исследователи и псевдоученые искали эликсир вечной жизни

Как попытка найти способы жить вечно привела к расцвету науки и псевдонауки

СНОБ
Школы в России и за рубежом | Schools in Russia and Abroad Школы в России и за рубежом | Schools in Russia and Abroad

В чем отличие подходов к обучению в российских и зарубежных школах?

Позитивные изменения
Не навреди. Как развивается робототехника в России Не навреди. Как развивается робототехника в России

Генеральный директор «Корпорации роботов» — о проблемах инжиниринга в России

СНОБ
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
Черное золото на Крайнем Севере: как добывают нефть в Арктике Черное золото на Крайнем Севере: как добывают нефть в Арктике

Нефтедобывающая платформа «Приразломная», работающая на шельфе, уникальна

Вокруг света
Социальное воздействие и позитивные изменения в России | Social impact and positive change in Russia Социальное воздействие и позитивные изменения в России | Social impact and positive change in Russia

Шесть экспертов о настоящем и будущем импакт-подхода в России

Позитивные изменения
Из чего сделана японская «мумия-русалка»? Жутковатую находку исследовали ученые Из чего сделана японская «мумия-русалка»? Жутковатую находку исследовали ученые

Оказалось, что «мумия-русалка» — искусственно созданный объект

Вокруг света
Что хочу, то и ем? Неожиданная правда об интуитивном питании Что хочу, то и ем? Неожиданная правда об интуитивном питании

Интуитивное питание направлено на то, чтобы разорвать цикл диеты

Лиза
Шелушится кожа на лице: в чем может быть причина Шелушится кожа на лице: в чем может быть причина

Почему кожа шелушится?

Правила жизни
72-летний пикап по цене премиального немецкого автомобиля 72-летний пикап по цене премиального немецкого автомобиля

Chevrolet 3100 – пикап, который, кажется, существует вечно

4x4 Club
Как Борис Пастернак создавал и издавал роман «Доктор Живаго» Как Борис Пастернак создавал и издавал роман «Доктор Живаго»

Этот роман получил всемирное признание за границей, на родине же его запрещали

СНОБ
Уютное гнездышко походника: история и современность спального мешка Уютное гнездышко походника: история и современность спального мешка

Привычный нам облик спальный мешок приобрел не сразу

Вокруг света
«Я обнажила грудь. Почему бы не показать ее всем?»: Настя Ивлеева рассказала о постельных сценах в «Монастыре» «Я обнажила грудь. Почему бы не показать ее всем?»: Настя Ивлеева рассказала о постельных сценах в «Монастыре»

Победив смущение, Настя Ивлеева смогла проявить профессионализм

VOICE
Почему спать днем полезно: 2 главные причины — узнайте, как делать это правильно Почему спать днем полезно: 2 главные причины — узнайте, как делать это правильно

Зачем спать днем?

Psychologies
Маменькин китенок: почему косатка всю жизнь заботится о единственном сыне? Маменькин китенок: почему косатка всю жизнь заботится о единственном сыне?

Если самка косатки родила мальчика, он остается ее единственным отпрыском

Вокруг света
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
Открыть в приложении