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

Причиной гипонатриемии при приеме МДМА назвали выброс окситоцина Причиной гипонатриемии при приеме МДМА назвали выброс окситоцина

Гипонатриемия при приеме МДМА связана с повышением уровня окситоцина

N+1
Биохимия любви: как гормоны управляют нашими чувствами Биохимия любви: как гормоны управляют нашими чувствами

Биохимические процессы, которые вызывают каскад эмоций, именуемый любовью

Правила жизни
Мутации определяют ход биологических часов организма Мутации определяют ход биологических часов организма

Биологический возраст организма определяется накоплением случайных мутаций

ТехИнсайдер
Эти 5 пар обуви закроют все твои потребности: минимум, который должен быть у каждой - мнение стилиста Эти 5 пар обуви закроют все твои потребности: минимум, который должен быть у каждой - мнение стилиста

5 пар обуви, которые выручат в 90% ситуаций

VOICE
11 способов становиться немного умнее каждый день 11 способов становиться немного умнее каждый день

Интеллект, как и тело, требует правильного питания и регулярных тренировок

Psychologies
Почему в Азии предпочитают есть палочками? Ведь вилкой же удобней! Почему в Азии предпочитают есть палочками? Ведь вилкой же удобней!

Как появились палочки для еды?

ТехИнсайдер
Нет минусов, есть плюсы Нет минусов, есть плюсы

Как мириться с не всегда позитивной реальностью и быть оптимистом?

Men Today
Понравится ли тебе жизнь в Португалии: плюсы и минусы страны глазами россиян Понравится ли тебе жизнь в Португалии: плюсы и минусы страны глазами россиян

Хочешь узнать, какова сейчас у россиян жизнь в Португалии?

VOICE
Время фрагментации Время фрагментации

Мировая экономика разрушается, а не деглобализируется

Деньги
Калейдоскоп секса Калейдоскоп секса

Как события 2020-х годов сказались на желаниях людей, обращенных друг к другу

Men Today
От романтики гидростанций до дефицита бетона: как в СССР снимали кино о производстве От романтики гидростанций до дефицита бетона: как в СССР снимали кино о производстве

Кино о производстве: от энтузиазма постройки ГЭС до разочарования в системе

Forbes
У самого синего моря У самого синего моря

Модернистская вилла на тихоокеанском побережье, в окрестностях Малибу

SALON-Interior
Неандертальцы поймали крабов и поджарили их на углях Неандертальцы поймали крабов и поджарили их на углях

Находки из португальской пещеры Фигейра-Брава

N+1
Не Канны или Венеция: почему победители Берлинале не добиваются международного успеха Не Канны или Венеция: почему победители Берлинале не добиваются международного успеха

Что значат решения жюри на Берлинале?

Forbes
Одна вокруг света: забастовка на шоссе и сосновая живица по дороге в Аргентину Одна вокруг света: забастовка на шоссе и сосновая живица по дороге в Аргентину

204-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко

Forbes
Грибы с глазами Грибы с глазами

«Одни из нас»: главный сериал зимы

Weekend
Флегматик — кто он на самом деле: миролюбивый аналитик или бесячий лентяй? Флегматик — кто он на самом деле: миролюбивый аналитик или бесячий лентяй?

Какие же флегматики на самом деле и почему именно такие?

ТехИнсайдер
«Салюты на той стороне»: подростковая драма на фоне катастрофы «Салюты на той стороне»: подростковая драма на фоне катастрофы

Отрывок из книги Александры Шалашовой «Салюты на той стороне»

Forbes
Этот актер играл Арагорна во Этот актер играл Арагорна во

Стюарт Таунсенд мог сыграть Арагорна

VOICE
Заменит ли искусственный интеллект креативные профессии Заменит ли искусственный интеллект креативные профессии

Как устроен цифровой мозг и может ли искусственный интеллект быть креативным

РБК
Золотые реки цвета какао Золотые реки цвета какао

Репортаж из Бодайбо. Как живут люди, добывающие золото

Эксперт
Дьявольская карусель: нераскрытая тайна океанских глубин Дьявольская карусель: нераскрытая тайна океанских глубин

Что такое "дьявольская карусель"? Ответ до сих пор не найден

ТехИнсайдер
День счастья День счастья

“Какой день вы можете назвать самым счастливым в своей жизни?”

Men Today
12 утраченных сокровищ и артефактов, которые продолжают искать 12 утраченных сокровищ и артефактов, которые продолжают искать

Многие из этих сокровищ, скорее всего, исчезли навсегда

Вокруг света
Владимир Меньшов: что осталось за кадром фильмов «Москва слезам не верит» и «Любовь и голуби» Владимир Меньшов: что осталось за кадром фильмов «Москва слезам не верит» и «Любовь и голуби»

И я тоже довольно быстро оказался в изоляции после «Москва слезам не верит»

Караван историй
Адаптация психики к кризису: 9 путей выживания Адаптация психики к кризису: 9 путей выживания

Отрывок из книги Элины Фроловой «Мы справимся»

Psychologies
Как накраситься на свидание: 5 лучших косметических средств Как накраситься на свидание: 5 лучших косметических средств

Как подготовиться к свиданию и, может быть, даже влюбиться. Как минимум, в себя

Psychologies
5 поводов любить Юбера де Живанши 5 поводов любить Юбера де Живанши

Вспоминаем главные заслуги великого кутюрье Юбера де Живанши

Правила жизни
Дремлющие драконы Дремлющие драконы

Супервулканы спят десятки тысяч лет, а проснувшись, засыпают пеплом континенты

Вокруг света
Кажется, миллиардер и инвестор Алексей Феликсов может превратить в золото совсем все Кажется, миллиардер и инвестор Алексей Феликсов может превратить в золото совсем все

Если у вас нет королевской тиары или шапки Мономаха, вам к Феликсовым!

Собака.ru
Открыть в приложении