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

Палеогенетики прочитали ДНК четырех людей эпохи неолита из памятника Лепенски-Вир Палеогенетики прочитали ДНК четырех людей эпохи неолита из памятника Лепенски-Вир

Палеогенетики прочитали ДНК четырех человек на памятнике Лепенски-Вир

N+1
Крах диктатуры, биографии Черчилля и Наполеона: самый ожидаемый нон-фикшен 2023 года Крах диктатуры, биографии Черчилля и Наполеона: самый ожидаемый нон-фикшен 2023 года

Календарь выхода наиболее интересных новинок в жанре нон-фикшен в 2023 год

Forbes
Начало неолита на северо-западе Южной Азии сдвинули примерно на три тысячи лет Начало неолита на северо-западе Южной Азии сдвинули примерно на три тысячи лет

Почему ученые пересмотрели хронологию поселения Мехргарх?

N+1
Потерять — так миллиард Потерять — так миллиард

Учимся у рекордсменов потерь 2022 года

Деньги
Как говорить, чтобы дети слушали Как говорить, чтобы дети слушали

Как научиться вести диалог с ребенком

kiozk originals
Как океаны избавляются от миллионов тонн пластикового мусора: планета против человека Как океаны избавляются от миллионов тонн пластикового мусора: планета против человека

Что именно происходит с пластиком, когда он попадает в океан?

ТехИнсайдер
Широкая Масленица Широкая Масленица

Самый традиционный славянский праздник!

Лиза
Сонный паралич: болезнь, знак ведьмы или вариант нормы Сонный паралич: болезнь, знак ведьмы или вариант нормы

Сонный паралич: страшное, но достаточно безобидное явление

ТехИнсайдер
Кто станет «убийцей Tesla»: этих машин боится даже Илон Маск Кто станет «убийцей Tesla»: этих машин боится даже Илон Маск

Автомобили, которые уже сейчас составляют реальную конкуренцию машинам Tesla

РБК
«Американки в Красной России» «Американки в Красной России»

Отрывок из книги Джулии Л. Микенберг «Американки в Красной России»

N+1
«Секс по расписанию изменил нашу жизнь»: личная история — попробуйте с партнером «Секс по расписанию изменил нашу жизнь»: личная история — попробуйте с партнером

История, как секс по расписанию может изменить отношения с партнером

Psychologies
Ученые из Кембриджа: 4-дневная рабочая неделя делает сотрудников счастливее, а бизнес — богаче Ученые из Кембриджа: 4-дневная рабочая неделя делает сотрудников счастливее, а бизнес — богаче

Сокращение рабочего времени на 20% в неделю привело к отличным результатам

Inc.
Netflix-исповедь: Памела Андерсон о том, как стала заложницей своего образа Netflix-исповедь: Памела Андерсон о том, как стала заложницей своего образа

Как актриса и модель Памела Андерсон стала жертвой собственной привлекательности

Forbes
Хронобиологическая диета: как питаться с учетом биоритмов — 5 главных принципов Хронобиологическая диета: как питаться с учетом биоритмов — 5 главных принципов

Какие принципы питания старшего поколения нам нужно позаимствовать?

Psychologies
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
Лови ритм Лови ритм

История о том, как электричество заставляет сердце биться

N+1
Критикан, эгоист, агрессор или социопат? Что говорит о мужчине ваш первый секс — поясняет психолог Критикан, эгоист, агрессор или социопат? Что говорит о мужчине ваш первый секс — поясняет психолог

Выдать отрицательные черты характера могут даже мелочи

Psychologies
Могила неизвестного Павлика Могила неизвестного Павлика

История Павлика Морозова

Дилетант
Деменция — эпидемия XXI века. Что это за болезнь и возможно ли ее предотвратить Деменция — эпидемия XXI века. Что это за болезнь и возможно ли ее предотвратить

Рассказываем, что удалось выяснить ученым и можно ли остановить деменцию

Правила жизни
А вы точно врач? А вы точно врач?

Вопросы, которые помогут убедиться в его компетентности

Лиза
Создан пористый гидрогель, который быстро и эффективно очищает воду от грязи и тяжелых металлов Создан пористый гидрогель, который быстро и эффективно очищает воду от грязи и тяжелых металлов

Гидрогель, вдохновленный люфой, использует солнечный свет для обработки воды

ТехИнсайдер
Создан прочный суперсплав, отлично переносящий высокие температуры Создан прочный суперсплав, отлично переносящий высокие температуры

Ученые использовали новую технику 3D-печати для создания нового суперсплава

ТехИнсайдер
Разрешать ли 9-летнему ребенку спать с родителями? Или пора взрослеть? Мнение Разрешать ли 9-летнему ребенку спать с родителями? Или пора взрослеть? Мнение

Можно ли делать исключения при воспитании детей?

ТехИнсайдер

Как возникают мифы о женщинах и кто их распространяет

VOICE
Что общего у слона и голого землекопа? Долгая жизнь! И вот почему Что общего у слона и голого землекопа? Долгая жизнь! И вот почему

Почему одни виды млекопитающих живут намного дольше других

Вокруг света
Почему мы не можем похудеть: 5 главных ошибок — советы диетолога Почему мы не можем похудеть: 5 главных ошибок — советы диетолога

Занимаетесь спортом, питаетесь правильно, но лишний вес никуда не уходит?

Psychologies
На тёмной стороне искусства На тёмной стороне искусства

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

Robb Report
Сергей Потоцкий: «Не признавать законности захвата власти большевиками» Сергей Потоцкий: «Не признавать законности захвата власти большевиками»

Среди российских военных агентов особое место занимал Сергей Николаевич Потоцкий

Дилетант
Новый взгляд на природу художественного мышления Новый взгляд на природу художественного мышления

Возможно ли, чтобы человек утратил интерес к загадке своего мышления?

Наука и жизнь
Нехватка женщин и молодежь-чайлдфри: как Китай перестал быть самой населенной страной Нехватка женщин и молодежь-чайлдфри: как Китай перестал быть самой населенной страной

Почему население в Китае стареет и как к этому относятся китайские власти

Forbes
Открыть в приложении