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

«Насилие. Микросоциологическая теория» «Насилие. Микросоциологическая теория»

Как перестрелки вытеснили честные поединки

N+1
Переход на юани Переход на юани

Этот китайский электромобиль затмевает европейские марки

Автопилот
В гроте Мандрен обнаружили 48 обломков костей архаичных людей В гроте Мандрен обнаружили 48 обломков костей архаичных людей

Ученые проанализировали больше тысячи фрагментов костей из грота Мандрен

N+1
Защищайся! Защищайся!

Если столкнулась с домашним насилием: руководство к действию

Лиза
Психологический портрет: что такое сейфтизм Психологический портрет: что такое сейфтизм

Сейфтизм: что это такое и чего в нем больше — пользы или вреда?

Forbes
Пряный зимний салат с морковкой и апельсином Пряный зимний салат с морковкой и апельсином

Яркий салат, который поможет пережить мрачный февраль

Weekend
Не лень, а неправильная мотивация: как научиться добиваться своих целей Не лень, а неправильная мотивация: как научиться добиваться своих целей

Главная причина лени и прокрастинации – в плохой мотивации и отсутствии стимула

VOICE
Из мужской в женскую: 8 фактов о юбке, которые должны знать все, кто ее носит Из мужской в женскую: 8 фактов о юбке, которые должны знать все, кто ее носит

Краткая история юбки от древности до наших дней

Вокруг света
Спирс, Джоли, Кен, рысь: на кого хотели быть похожи жертвы пластики Спирс, Джоли, Кен, рысь: на кого хотели быть похожи жертвы пластики

Эти люди спустили целые состояния на пластику

VOICE
Золотое сечение Золотое сечение

Этот роскошный интерьер — современное прочтение классики и ар-деко

SALON-Interior
Что тревожит мужчин в сексе: 5 основных поводов для беспокойства — советы андролога Что тревожит мужчин в сексе: 5 основных поводов для беспокойства — советы андролога

Стереотипы о мужской сексуальности часто становятся источником тревоги

Psychologies
Сила слова Сила слова

Как мы сами себя программируем и почему желания нужно проговаривать вслух

Лиза
Какой вид спорта выбрать, если куришь: объясняет врач Какой вид спорта выбрать, если куришь: объясняет врач

Насколько здоровье курильщиков позволяет им заниматься спортом и какой лучше?

Maxim
Россия — родина жуков Россия — родина жуков

Как из одной успешной киномистификации родился миф об отце советской анимации

Weekend
Как жить, когда спокойно не сидится: жизнь с СДВГ Как жить, когда спокойно не сидится: жизнь с СДВГ

Как облегчить жизнь, если вы обнаружили у себя синдром дефицита внимания?

ТехИнсайдер
12 продуктов, которые лучше покупать готовыми, а не готовить самому, по мнению обычных людей: спорная, но любопытная подборка 12 продуктов, которые лучше покупать готовыми, а не готовить самому, по мнению обычных людей: спорная, но любопытная подборка

Идеальная подборка для сочной битвы шефов с поварами

Maxim
Народный альтист Народный альтист

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

Robb Report
Все оттенки «Радуги» Все оттенки «Радуги»

Как читать главный роман Томаса Пинчона

Weekend
Корпоративные ценности: на что обратить внимание при устройстве на работу — 4 примера Корпоративные ценности: на что обратить внимание при устройстве на работу — 4 примера

Как понять корпоративную культуру компании?

Psychologies
А вот и не подеремся! А вот и не подеремся!

Как правильно заканчивать спор и с кем вообще не стоит его и затевать

Лиза
Керамический материал с изменяемой теплопроводностью: революционное открытие Керамический материал с изменяемой теплопроводностью: революционное открытие

Как обычный керамический материал может изменить свою теплопроводность

ТехИнсайдер
Делать то, что нравится Делать то, что нравится

Как раскрыть внутренний потенциал и найти призвание?

Psychologies
Города будущего в настоящем: 10 примеров проектов инновационных городов | Cities of the Future in the Present: 10 Projects of Innovative Cities Worldwide Города будущего в настоящем: 10 примеров проектов инновационных городов | Cities of the Future in the Present: 10 Projects of Innovative Cities Worldwide

Как города меняются прямо на наших глазах

Позитивные изменения
Три правила вкусной пасты Три правила вкусной пасты

Почему пасту не стоит варить по рекомендациям, указанным на упаковке?

СНОБ
Водителей предупредили о новом риске. Как не остаться без автомобиля Водителей предупредили о новом риске. Как не остаться без автомобиля

Ряд моделей авто вновь стал интересен угонщикам для «разбора»

РБК
От страхов и комплексов до любви к себе: чему меня научили секс-вечеринки От страхов и комплексов до любви к себе: чему меня научили секс-вечеринки

Как секс-культура может помочь в борьбе с комплексами и научить любить себя

Psychologies
Жизнь остановилась: как пережить утрату близкого Жизнь остановилась: как пережить утрату близкого

Как помочь себе справиться с горем?

Psychologies
Что такое галлюцинации, при чем тут шизофрения и всегда ли опасны голоса в голове: объясняет психиатр Что такое галлюцинации, при чем тут шизофрения и всегда ли опасны голоса в голове: объясняет психиатр

Как рождаются галлюцинации и чем отличаются от иллюзий?

Psychologies
Пять cамых громких терактов, за которые никто не взял ответственность Пять cамых громких терактов, за которые никто не взял ответственность

Последние четверть века теракты все чаще совершают анонимные группы

Maxim
К годовщине со дня рождения Виктора Гюго: 7 французских писателей, книги которых стоит перечитать К годовщине со дня рождения Виктора Гюго: 7 французских писателей, книги которых стоит перечитать

Гид по знаменитым произведениям французских авторов

СНОБ
Открыть в приложении