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

Напряженное слушание заставило людей напрячь ушные мышцы Напряженное слушание заставило людей напрячь ушные мышцы

Как ушные мышцы, отвечающие за шевеление ушей, реагируют на напряженное слушание

N+1
«Вы уверены только в своей неуверенности»: что мешает нам двигаться вперед — история клиента психолога «Вы уверены только в своей неуверенности»: что мешает нам двигаться вперед — история клиента психолога

История клиента, который много лет только репетировал жизнь

Psychologies
Синдром беспокойных гениталий и алкаптонурия: 6 загадочный болезней, о которых вы могли даже не слышать Синдром беспокойных гениталий и алкаптонурия: 6 загадочный болезней, о которых вы могли даже не слышать

Какие удивительные диагнозы порой ставят людям?

ТехИнсайдер
Инстаграм на всю голову: почему мы все гонимся за идеальной картинкой в соцсетях? Инстаграм на всю голову: почему мы все гонимся за идеальной картинкой в соцсетях?

Как инстаграм и тренд на "чистую эстетику" разрушают нашу психику?

Правила жизни
Как научиться принимать комплименты Как научиться принимать комплименты

Почему бывает трудно принимать комплименты и как с этим справиться

Inc.
Отстаньте, противные! Отстаньте, противные!

Заеды: как облегчить свое состояние?

Лиза
Горячий прием: 10 самых теплых городов России Горячий прием: 10 самых теплых городов России

За мягким климатом стоит отправиться в южные регионы страны

Вокруг света
Сериал «Раневская»: как Фаина Фельдман стала великой актрисой вопреки всем преградам Сериал «Раневская»: как Фаина Фельдман стала великой актрисой вопреки всем преградам

Какой сложный путь к славе проделала Фаина Раневская

Forbes
Никита Ефремов: «Хвалить себя – для меня испытание» Никита Ефремов: «Хвалить себя – для меня испытание»

Никита Ефремов – о травмах и стремлении к самопознанию

VOICE
«Универсальная линейка»: подход к оценке социального воздействия глобальной сети импакт-инвесторов | Universal milestone: the global impact investing network’s approach to assessing social impact «Универсальная линейка»: подход к оценке социального воздействия глобальной сети импакт-инвесторов | Universal milestone: the global impact investing network’s approach to assessing social impact

Методика оценки социально-экономического воздействия некоммерческих проектов

Позитивные изменения
Архитектура Школы будущего | The Architecture of the School of the Future Архитектура Школы будущего | The Architecture of the School of the Future

Что должен учитывать архитектор, проектируя Школу будущего?

Позитивные изменения
8 доказанных наукой способов жить вместе долго и счастливо 8 доказанных наукой способов жить вместе долго и счастливо

Как сохранить любовь и радость в браке?

Лиза
Разобраться в механизме: как лечение редких заболеваний помогает развитию медицины Разобраться в механизме: как лечение редких заболеваний помогает развитию медицины

Почему от качества лечения редких заболеваний зависит будущее медицины

Forbes
Адаптация Адаптация

Кузнец рассказывает, как ему удалось перенести старинное ремесло в XXI столетие

Вокруг света
Почему мужчины не любят говорить о своих чувствах? Почему мужчины не любят говорить о своих чувствах?

Как избавить партнера от страха признаваться в чувствах?

Psychologies
Оскар: история, номинации, лауреаты. Полный гид по кинопремии Оскар: история, номинации, лауреаты. Полный гид по кинопремии

Полный гид по кинопремии "Оскар"

Правила жизни
Этот рок-певец пытался нанять киллера, чтобы убить свою жену! Узнайте, получилось ли Этот рок-певец пытался нанять киллера, чтобы убить свою жену! Узнайте, получилось ли

Что может произойти, если не избавляться от пугающих мыслей?

ТехИнсайдер
Эпоха маркизы Помпадур: как фаворитка Людовика XV стала версальской Шахерезадой Эпоха маркизы Помпадур: как фаворитка Людовика XV стала версальской Шахерезадой

История фаворитки, вынудившей политиков всерьез рассуждать об эпохе Помпадур

Вокруг света
Посмотрите на удивительные фотографии золотоискателей США из 19 века! Посмотрите на удивительные фотографии золотоискателей США из 19 века!

Все слышали про знаменитую «золотую лихорадку» в Америке. Вот как она выглядела

ТехИнсайдер
Ирина Пегова: «Иногда нужно остановиться и сделать то, что подсказывает сердце, не слушая никого» Ирина Пегова: «Иногда нужно остановиться и сделать то, что подсказывает сердце, не слушая никого»

Вы что? У вас есть артистка, которая хочет сама прыгнуть! Пользуйтесь этим

Караван историй
Соломон Перель — еврей, представившийся немцем, чтобы не умереть. Потом он был на допросе сына Сталина Соломон Перель — еврей, представившийся немцем, чтобы не умереть. Потом он был на допросе сына Сталина

История Соломона Переля: цель оправдывает средства — или нет?

ТехИнсайдер
Сколлапсировавшая нейтронная звезда породила взрыв в форме идеальной сферы, повергнув в шок все научное сообщество Сколлапсировавшая нейтронная звезда породила взрыв в форме идеальной сферы, повергнув в шок все научное сообщество

Колоссальный взрыв получил форму, близкую к совершенной

ТехИнсайдер
Исторический фактор: высокую заболеваемость туберкулезом в Сибири связали с обилием каторжан Исторический фактор: высокую заболеваемость туберкулезом в Сибири связали с обилием каторжан

Большое количество заключенных — одна из причин печальной статистики

Вокруг света
Почему все люди плачут: научный взгляд на слезы Почему все люди плачут: научный взгляд на слезы

Для чего люди плачут? Несколько удивительных версий

ТехИнсайдер
Циркачи с Балкан. О новом спектакле Юрия Муравицкого «Черная кошка, белый кот» Циркачи с Балкан. О новом спектакле Юрия Муравицкого «Черная кошка, белый кот»

Сюжет о разлученных влюбленных перенесен с балканских просторов в цирк

СНОБ
Мальчик, который выше: как Гарри Стайлс плюет на стереотипы и меняет мужской гардероб Мальчик, который выше: как Гарри Стайлс плюет на стереотипы и меняет мужской гардероб

Рассказываем и показываем, с помощью чего Стайлс творит революцию в мужской моде

Правила жизни
Как решать этические дилеммы на лету. Отрывок из книги преподавателя Стэнфорда Как решать этические дилеммы на лету. Отрывок из книги преподавателя Стэнфорда

Отрывок из книги Сьюзан Лиото «Сила этики»

СНОБ
Как живут люди с синдромом Аспергера Как живут люди с синдромом Аспергера

Что такое синдром Аспергера?

ТехИнсайдер
Дарья Мороз: «Я человек собранный, но чувствительный и ранимый» Дарья Мороз: «Я человек собранный, но чувствительный и ранимый»

Актриса Дарья Мороз – о персонажах и откровенных сценах в кино

VOICE
Свобода в отношениях: каковы ее границы Свобода в отношениях: каковы ее границы

Только ли в одиночестве можно быть по-настоящему свободным?

Psychologies
Открыть в приложении