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

«Шерсть дыбом: Медведи-взломщики, макаки-мародеры и другие преступники дикой природы» «Шерсть дыбом: Медведи-взломщики, макаки-мародеры и другие преступники дикой природы»

Зачем орнитологи взрывали птиц динамитом

N+1
Волшебник и малышка: как люди выгорают из-за несоответствия своих субличностей Волшебник и малышка: как люди выгорают из-за несоответствия своих субличностей

Отрывок из книги Леонида Кроля «Жизнь без выгорания»

Forbes
Ионный кубит заставили работать по циклу Стирлинга Ионный кубит заставили работать по циклу Стирлинга

Намеренная дефазировка увеличила КПД квантового двигателя на два процента

N+1
«Транспорт в городах, удобных для жизни» «Транспорт в городах, удобных для жизни»

Как транспортная система влияет на город

N+1
Хюэ 1968 Хюэ 1968

Поворотный момент войны во Вьетнаме

kiozk originals
Что жизнь на Марсе может сделать с человеческим телом: почему идея Илона Маска покорить Красную планету неразумна Что жизнь на Марсе может сделать с человеческим телом: почему идея Илона Маска покорить Красную планету неразумна

Почему люди еще не готовы к покорению Красной планеты

ТехИнсайдер
«Дочка» «Росатома» пообещала российским электромобилям уникальные батареи «Дочка» «Росатома» пообещала российским электромобилям уникальные батареи

Компания «Рэнера» обещает освоить производство батарей для электромобилей

РБК
Ямочки на щеках: почему появляются и можно ли их сделать Ямочки на щеках: почему появляются и можно ли их сделать

В чем особенности ямочек на щеках?

РБК
Дворцы, пещеры, горящая гора: 5 причин отправиться в Иран Дворцы, пещеры, горящая гора: 5 причин отправиться в Иран

Начать знакомство с Ираном можно со столицы и ближайших окрестностей

Вокруг света
В чем смысл жизни? Нейросеть ответила на 10 самых главных вопросов мироздания В чем смысл жизни? Нейросеть ответила на 10 самых главных вопросов мироздания

Вот что получилось: вопросы — наши, ответы — нейросети

Вокруг света
Россия — родина жуков Россия — родина жуков

Как из одной успешной киномистификации родился миф об отце советской анимации

Weekend
Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия» Скульптурный портрет Евгения Богарне. Возвращение из «Небытия»

Мраморный бюст, который поступил в Государственный Русский музей в 1927 году

Наука и жизнь
От щедровок до первой оперы: как русский фольклор помогал следить за временем и стал частью классической музыки От щедровок до первой оперы: как русский фольклор помогал следить за временем и стал частью классической музыки

Какие песни нельзя было исполнять зимой и как фольклор приглянулся композиторам

Вокруг света
7 привычек, по которым в Турции безошибочно узнают туриста из России 7 привычек, по которым в Турции безошибочно узнают туриста из России

Чем русские туристы кардинально отличаются от местных жителей Турции?

Вокруг света
Оптимизм и пессимизм: какой взгляд на мир выигрышнее — мнение психолога Оптимизм и пессимизм: какой взгляд на мир выигрышнее — мнение психолога

Насколько сильно наша жизнь зависит от того, какую оптику мы выбираем?

Psychologies
«Испанцы, Франко умер»: как закончилась одна европейская диктатура «Испанцы, Франко умер»: как закончилась одна европейская диктатура

Отрывок из книги Александра Баунова «Конец режима» — о смерти Франсиско Франко

Forbes
Революция «наоборот»: как Япония вырвалась из застоя, вернув власть императору Революция «наоборот»: как Япония вырвалась из застоя, вернув власть императору

Не существует единого рецепта модернизации. Страны действуют на свой лад

Вокруг света
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
Блиц-интервью: Георгий Дронов Блиц-интервью: Георгий Дронов

Актер Георгий Дронов — об отношении к своей популярности и «папе» Борисе Клюеве

Лиза
На тёмной стороне искусства На тёмной стороне искусства

На коллекционерах то и дело наживаются всякого рода жулики, мошенники и воры

Robb Report
Одиночество цифрового кочевника: почему денег и свободного времени мало для счастья Одиночество цифрового кочевника: почему денег и свободного времени мало для счастья

Отрывок из книги Оливера Беркмана «Четыре тысячи недель»

Forbes
Астрономы наконец узнали, почему два роя астероидов, следующих за Юпитером, так сильно отличаются друг от друга Астрономы наконец узнали, почему два роя астероидов, следующих за Юпитером, так сильно отличаются друг от друга

Юпитер не одинок на своем орбитальном пути вокруг Солнца

ТехИнсайдер
Секреты Секреты

Раскрываем секреты домашней укладки феном

VOICE
Почему астрономы до сих пор не нашли Девятую планету: охота во мраке Почему астрономы до сих пор не нашли Девятую планету: охота во мраке

Тайна Девятой планеты не первый год будоражит все научное сообщество

ТехИнсайдер
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
Виртуальный роман: бегство от близости или инструмент саморазвития — разбор с психологами Виртуальный роман: бегство от близости или инструмент саморазвития — разбор с психологами

Что стоит за нашим желанием общаться заочно и зачастую инкогнито?

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
Жители США буквально живут в «декорациях» фильма. Но это угрожает их здоровью и экологии Жители США буквально живут в «декорациях» фильма. Но это угрожает их здоровью и экологии

Фильм-катастрофа в штате Огайо неожиданно стал реальностью

ТехИнсайдер
Владимир Коренев: о поворотах судьбы, дружбе с Гагариным и любви всей его жизни Владимир Коренев: о поворотах судьбы, дружбе с Гагариным и любви всей его жизни

Про Ихтиандра я узнал в детстве — от своего дяди. Абсолютно слепого

Караван историй
Как помочь ребёнку подрасти? Как помочь ребёнку подрасти?

Почему одни дети растут как на дрожжах, а другие плетутся в хвосте?

Здоровье
Открыть в приложении