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

Риск инфаркта оказался меньше после шунтирования желудка по сравнению с рукавной пластикой Риск инфаркта оказался меньше после шунтирования желудка по сравнению с рукавной пластикой

Риск инфаркта миокарда ниже после шунтирования желудка, чем после гастропластики

N+1
Сильнее, чем слоновьи моляры: как люди 3 млн лет назад придумали себе «дополнительные зубы» Сильнее, чем слоновьи моляры: как люди 3 млн лет назад придумали себе «дополнительные зубы»

Разделать гиппопотама — непростая задача, но предки нашли решение

Вокруг света
Зоологи подтвердили крайнюю редкость рака у черепах Зоологи подтвердили крайнюю редкость рака у черепах

Почему злокачественные опухоли редко встречаются у черепах

N+1
Во Франции нашли поселение строителей мегалитов Во Франции нашли поселение строителей мегалитов

Поселение мегалитов во Франции датируется V тысячелетием до нашей эры

N+1
Когда медицина перестает быть бумажной: как Москва лечит людей и спасает деревья Когда медицина перестает быть бумажной: как Москва лечит людей и спасает деревья

Как электронная медицина спасает сотни деревьев?

Правила жизни
Зачем в СССР делали гигантские «Антеи», «Русланы» и «Мрии» Зачем в СССР делали гигантские «Антеи», «Русланы» и «Мрии»

Кому нужна была такая мощь и почему сейчас про эти самолёты ничего не слышно?

ТехИнсайдер
«Мы поплакали мужскими слезами»: Стас Бондаренко рассказал о реакции сына на развод родителей «Мы поплакали мужскими слезами»: Стас Бондаренко рассказал о реакции сына на развод родителей

Стас Бондаренко поделился откровениями о крахе первого брака

VOICE
Как запрещено одеваться невысоким девушкам: учимся на ошибках звезд Как запрещено одеваться невысоким девушкам: учимся на ошибках звезд

Подборка трендов, которые не стоит повторять за любимыми звездными дюймовочками!

VOICE
Дело было не в фигуре! 10 необычных привычек, которые делают женщин краше Дело было не в фигуре! 10 необычных привычек, которые делают женщин краше

10 нетипичных женских привычек, которые привлекают к нам взгляды мужчин

VOICE
7 забытых ученых, совершивших переворот в науке. Их открытия приписали другим. А вам знакомы эти имена? 7 забытых ученых, совершивших переворот в науке. Их открытия приписали другим. А вам знакомы эти имена?

Многие гении, кардинально изменившие мир, порой остаются в тени

Вокруг света
«Музыка стала для меня терапией» «Музыка стала для меня терапией»

Дима Лорен рассказал о своем пути от детской мечты до бешеного успеха в чартах

OK!
«Всевидящее око»: почему даже Кристиан Бейл не может спасти скучный детектив «Всевидящее око»: почему даже Кристиан Бейл не может спасти скучный детектив

«Всевидящее око» не спасли даже знаменитые актеры и интересный сюжет

Forbes
Как выходцы из «Яндекса» придумали помощника для сборки Lego и привлекли $1,6 млн Как выходцы из «Яндекса» придумали помощника для сборки Lego и привлекли $1,6 млн

Как выходцы из «Яндекса» запустили успешное приложение Brickit

Forbes
Голодание: как отказ от пищи может изменить тело и мозг? Голодание: как отказ от пищи может изменить тело и мозг?

Эксперт — о разных видах голодания: интервальном, сухом и с разгрузочными днями

Правила жизни
Зачем в СССР варили одежду: хитрости советских хозяек, которые нужно взять на заметку Зачем в СССР варили одежду: хитрости советских хозяек, которые нужно взять на заметку

В первую очередь, кипячение помогало избавиться от стойких пятен!

ТехИнсайдер
Уроки русского: что общего между икрой рыб, кабачковой икрой и икроножной мышцей? Уроки русского: что общего между икрой рыб, кабачковой икрой и икроножной мышцей?

Почему икрами называются мышцы на голенях человека?

ТехИнсайдер
Давай снижайся Давай снижайся

Как сбить температуру у ребенка и когда это требуется

Лиза
5 научно доказанных способов облегчить похмелье 5 научно доказанных способов облегчить похмелье

Вот несколько продуктов, которые помогут сделать праздничное утро выносимым

Inc.
Едим по-русски: история знаменитого салата оливье и не только Едим по-русски: история знаменитого салата оливье и не только

Кто придумал эти традиционные русские блюда и как изменился рецепт?

Лиза
Аму Хаджи: человек, который не мылся 67 лет Аму Хаджи: человек, который не мылся 67 лет

Аму Хаджи занесен в книгу рекордов Гиннеса

ТехИнсайдер
Тянем-потянем Тянем-потянем

Что делать, если вещь села после стирки?

Лиза
На одной из лун Сатурна сугробы достигают 700 метров в глубину На одной из лун Сатурна сугробы достигают 700 метров в глубину

Толщина снежных сугробов на Энцеладе достигает феноменальных значений

ТехИнсайдер
В траве сидел кузнечик… певчий В траве сидел кузнечик… певчий

Каких представителей фауны и флоры мы постоянно путаем?

Наука и жизнь
Садоводство снижает риск рака. Пора в огород! Садоводство снижает риск рака. Пора в огород!

Общественное садоводство может играть важную роль в предотвращении рака

ТехИнсайдер
Медвежья услуга: почему слишком активное желание помочь не всегда приносит пользу Медвежья услуга: почему слишком активное желание помочь не всегда приносит пользу

Отрывок из книги психотерапевта Илсе Санд «Исцеляющие беседы»

Forbes
Интервальное голодание: все, что нужно знать об одном из самых популярных режимов питания последних лет Интервальное голодание: все, что нужно знать об одном из самых популярных режимов питания последних лет

Многие, сами того не подозревая, иногда прибегают к интервальному голоданию

Правила жизни
«Кто дарит жизнь — дарит смерть»: как женщины воспринимают старение матери «Кто дарит жизнь — дарит смерть»: как женщины воспринимают старение матери

Как принять старение своей матери?

Psychologies
Что значат костюмы героев Джима Джармуша? Что значат костюмы героев Джима Джармуша?

Почему один из лидеров мирового независимого кино одевал своих героев именно так

Правила жизни
Туризм в жилище эскимосов: на сколько там холодно? Вы поразитесь! Туризм в жилище эскимосов: на сколько там холодно? Вы поразитесь!

Кто-то выберет отдых на море и под палящим солнцем

ТехИнсайдер
В Хакасии обнаружили изваяние раннего бронзового века с изображением мужчины-шамана в звериной маске В Хакасии обнаружили изваяние раннего бронзового века с изображением мужчины-шамана в звериной маске

Результаты исследования двух стел окуневской культуры раннего бронзового века

N+1
Открыть в приложении