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

«Гипотеза белых дыр» «Гипотеза белых дыр»

Почему снаружи белая дыра не отличается от черной

N+1
«Внутренне я нахожусь все еще в Чечне» «Внутренне я нахожусь все еще в Чечне»

Малика Мусаева о своем фильме «Клетка ищет птицу» из конкурса Берлинале

Weekend
Американские врачи выполнили первую в мире пересадку мочевого пузыря Американские врачи выполнили первую в мире пересадку мочевого пузыря

Хирурги впервые в мире пересадили пациенту мочевой пузырь от мертвого донора

N+1
«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
6 ошибок при использовании солнцезащитного крема: запомните и никогда так больше не делайте 6 ошибок при использовании солнцезащитного крема: запомните и никогда так больше не делайте

Рассказываем, что делать с солнцезащитным кремом не надо

ТехИнсайдер
Основатель города львов: как джентльмен Томас Раффлз создал Сингапур, но не смог обрести счастье Основатель города львов: как джентльмен Томас Раффлз создал Сингапур, но не смог обрести счастье

Раффлз сумел организовать в Сингапуре особую систему общественного устройства

Вокруг света
Куда ведут весенние палы лугов? Куда ведут весенние палы лугов?

Как реагирует на весенний пал растительность лугов, как меняется её структура?

Наука и жизнь
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
Гуманная педагогика 2.0 | Humane Pedagogy 2.0 Гуманная педагогика 2.0 | Humane Pedagogy 2.0

Педагогика: от идей Антона Макаренко до Людмилы Петрановской и Димы Зицера

Позитивные изменения
Какие установки про отношения пора выбросить из головы Какие установки про отношения пора выбросить из головы

Что нужно забыть, чтобы построить счастливые отношения?

Psychologies
Магия и выжженные пустоши: cамые интересные книги жанра постапокалипсис-фэнтези Магия и выжженные пустоши: cамые интересные книги жанра постапокалипсис-фэнтези

Что будет, если в постапокалипсис добавить элементы фэнтези?

Maxim
О роли и месте мужчины в нашем меняющемся мире: о чем еще нам рассказывает фильм «Сын»? О роли и месте мужчины в нашем меняющемся мире: о чем еще нам рассказывает фильм «Сын»?

Каково быть мужчиной, отцом, сыном, супругом в XXI веке?

Psychologies
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
Школа будущего — школа про жизнь и среда возможностей | The School of the Future is the School of Life and an Environment of Opportunities Школа будущего — школа про жизнь и среда возможностей | The School of the Future is the School of Life and an Environment of Opportunities

Нейропсихолог Анна Высоцкая — какой должна быть школа будущего

Позитивные изменения
Почему британские компании переходят на четырехдневную рабочую неделю Почему британские компании переходят на четырехдневную рабочую неделю

Британские компании решили сохранить четырехдневную рабочую неделю

СНОБ
Как принять страшный диагноз: советы психологов и личный опыт Как принять страшный диагноз: советы психологов и личный опыт

Как принять диагноз?

Psychologies
Стоит насторожиться или само пройдет? Стоит насторожиться или само пройдет?

Откуда берутся белые пятна на ногтях рук?

Лиза
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
Плохая осанка — причина болей в спине: 6 советов по избавлению от сутулости Плохая осанка — причина болей в спине: 6 советов по избавлению от сутулости

Давайте разберемся, как справиться с болями в спине и избавиться от сутулости

ТехИнсайдер
Широкая Масленица Широкая Масленица

Самый традиционный славянский праздник!

Лиза
Пределы проходимости. В Suzuki Jimny по снежной целине (видео) Пределы проходимости. В Suzuki Jimny по снежной целине (видео)

Справится ли Suzuki Jimny с снежными преградами?

4x4 Club
Откровенная безвкусица: такую верхнюю одежду на весну не будет носить ни одна модная девушка Откровенная безвкусица: такую верхнюю одежду на весну не будет носить ни одна модная девушка

Проведем фэшн-ревизию и проверим твой шкаф на наличие опасных элементов

VOICE
Вещные смыслы Вещные смыслы

Ирина Затуловская: бедность как прием

Weekend
Она поборола рак крови и груди и перестала беспокоиться из-за телосложения. Но только после 60 лет Она поборола рак крови и груди и перестала беспокоиться из-за телосложения. Но только после 60 лет

Лишь после преодоления смертельной болезни Сильви взглянула на свое тело иначе

ТехИнсайдер
Как проявляется кризис среднего возраста у женщин: 4 сценария и способы их изменить Как проявляется кризис среднего возраста у женщин: 4 сценария и способы их изменить

Как предотвратить кризис среднего возраста?

Psychologies
Медом намазано. 10 сортов с лучшими свойствами Медом намазано. 10 сортов с лучшими свойствами

Как выбрать лучший мед среди множества разновидностей?

Лиза
Григорий Сасонко Григорий Сасонко

Визионеры в ювелирном бизнесе? Это семья Сасонко!

Собака.ru
Доллар набирает вес Доллар набирает вес

Российской валюте не хватает экспортной выручки

Деньги
Три истории чудесных спасений в жутких авиакатастрофах Три истории чудесных спасений в жутких авиакатастрофах

Три случая, когда авиакатастрофы закончились хорошо!

Maxim
Основатели холдинга Lucky Group — об успешных и проблемных ресторанах Основатели холдинга Lucky Group — об успешных и проблемных ресторанах

Основатели компании Lucky Group — что делать, чтобы ваш ресторан был успешным

РБК
Открыть в приложении