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

Женщина с иммуносупрессией заразилась кошачьей бактерией Женщина с иммуносупрессией заразилась кошачьей бактерией

Врачи сообщили о редком случае инфекции, вызванной бактерией Mycoplasma arginini

N+1
Минус миллион. Первый тест-драйв китайской Toyota Camry Минус миллион. Первый тест-драйв китайской Toyota Camry

Тестируем седан Camry из КНР

РБК
Найден способ омолодить стареющие клетки мозга Найден способ омолодить стареющие клетки мозга

Обратить старость вспять реально, причем на это понадобится всего один день

ТехИнсайдер
«Метазоа: Зарождение разума в животном мире» «Метазоа: Зарождение разума в животном мире»

Что морские создания могут рассказать об эволюции человека

N+1
«Был честен с собой и со своим ремеслом»: каким был путь в искусстве Карла Брюллова «Был честен с собой и со своим ремеслом»: каким был путь в искусстве Карла Брюллова

Каким был путь в искусстве Карла Брюллова и как его показывают в музеях

Forbes
Женщина, которая убила 9 детей и вышла на свободу: история Мэрибет Тиннинг Женщина, которая убила 9 детей и вышла на свободу: история Мэрибет Тиннинг

История Мэрибет Тиннинг, убивавшей собственных детей

VOICE
Омега-3. 12 весомых причин ввести их в свой рацион Омега-3. 12 весомых причин ввести их в свой рацион

Сбалансированное питание невозможно без жирных кислот

Лиза
Глаза в глаза Глаза в глаза

Разговор с актрисой Лизой Шакирой, которая недавно присоединилась к проекту

OK!
Фото на документы Фото на документы

Фотографии прошлых дней: низкопоклонство перед западом и мороженое по Фрейду

Автопилот
Сергей Шакуров: «Мой главный принцип в жизни — не спешить. Кто верит, тот не торопится» Сергей Шакуров: «Мой главный принцип в жизни — не спешить. Кто верит, тот не торопится»

Я мог бы заниматься спортом и быть тренером. А еще стать циркачом

Коллекция. Караван историй
Циркачи с Балкан. О новом спектакле Юрия Муравицкого «Черная кошка, белый кот» Циркачи с Балкан. О новом спектакле Юрия Муравицкого «Черная кошка, белый кот»

Сюжет о разлученных влюбленных перенесен с балканских просторов в цирк

СНОБ
Как поднять самооценку с помощью одежды Как поднять самооценку с помощью одежды

Иногда в поиске уверенности в себе может помочь собственный гардероб

Maxim
Будь проще Будь проще

Вкусная еда необязательно должна быть сложной в приготовлении

Добрые советы
7 пород собак, которые живут дольше всех 7 пород собак, которые живут дольше всех

Породы собак, которые генетически предрасположены к долголетию

Лиза
Полуостров вулканов Полуостров вулканов

Камчатка — самая вулканически активная зона планеты

Вокруг света
Заправочный пистолет АЗС оказался значительно грязнее, чем зарядное устройство электромобилей Заправочный пистолет АЗС оказался значительно грязнее, чем зарядное устройство электромобилей

Общественные зарядные станции чище, чем бензоколонки. И вот как это выяснилось.

4x4 Club
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
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
Фейковый взрыв, эпопея с фамилиями и загадочные цифры: секреты 5 легендарных комедий Гайдая Фейковый взрыв, эпопея с фамилиями и загадочные цифры: секреты 5 легендарных комедий Гайдая

Ищем пасхалки в фильмах Гайдая, на которые раньше не обращали внимания

Правила жизни
Заменит ли искусственный интеллект креативные профессии Заменит ли искусственный интеллект креативные профессии

Как устроен цифровой мозг и может ли искусственный интеллект быть креативным

РБК
Зачем новому Lexus LX 600 комплектация F Sport? Зачем новому Lexus LX 600 комплектация F Sport?

LX – премиальный внедорожник, который вполне осознанно можно испачкать в грязи

4x4 Club
Грабли-бумс Грабли-бумс

Что заставляет нас идти проторенными тропами в отношениях?

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

Как выбрать лучший мед среди множества разновидностей?

Лиза
Мы — дети голубой галактики Мы — дети голубой галактики

Ольга Сильченко: галактиками я занимаюсь всю жизнь, начиная с третьего курса

Наука и жизнь
Высокое искусство политической карикатуры: 23 детали гравюры «Времена» Уильяма Хогарта Высокое искусство политической карикатуры: 23 детали гравюры «Времена» Уильяма Хогарта

Жанр политической карикатуры расцвел в европейской культуре нового времени

Вокруг света
5 причин, по которым женщинам не удается достичь оргазма 5 причин, по которым женщинам не удается достичь оргазма

Женский оргазм устроен сложнее мужского — и влияют на него самые разные факторы

Psychologies
«Россия в шубе» «Россия в шубе»

Русский мех: история, национальная идентичность и культурный статус

N+1
Биоархеологи выяснили рацион 26 средневековых жителей Бергена Биоархеологи выяснили рацион 26 средневековых жителей Бергена

У средневековых мужчин и женщин из Бергена был разный рацион

N+1
Керамический материал с изменяемой теплопроводностью: революционное открытие Керамический материал с изменяемой теплопроводностью: революционное открытие

Как обычный керамический материал может изменить свою теплопроводность

ТехИнсайдер
Петербург Ивана Крылова: как Город на Неве отметил свой столетний юбилей и пережил череду невзгод Петербург Ивана Крылова: как Город на Неве отметил свой столетний юбилей и пережил череду невзгод

Торжества, устроенные Александром I, надолго запомнились петербуржцам

Вокруг света
Открыть в приложении