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

Противовирусные не принесли значимой пользы при амбулаторном лечении гриппа Противовирусные не принесли значимой пользы при амбулаторном лечении гриппа

Противовирусная терапия не влияет на смертность при нетяжелом течении гриппа

N+1
Назад в будущее: краткая история японского бренда уличной одежды BAPE, который любят Фаррел Уильямс, Канье Уэст и Дрейк Назад в будущее: краткая история японского бренда уличной одежды BAPE, который любят Фаррел Уильямс, Канье Уэст и Дрейк

Рассказываем историю бренда A Bathing Ape

Правила жизни
Нейроиммунная регуляция страха оказалась чувствительна к действию психоделиков Нейроиммунная регуляция страха оказалась чувствительна к действию психоделиков

Ученые обнаружили в мозге мышей нейроиммунную сеть, отвечающую за чувство страха

N+1
Никакой магии, только психология: как имя влияет на твою судьбу Никакой магии, только психология: как имя влияет на твою судьбу

Хочешь узнать, как на тебя повлияло твое имя?

VOICE
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Сколько можно съесть бананов за день, чтобы не испортить фигуру? Стоит узнать! Сколько можно съесть бананов за день, чтобы не испортить фигуру? Стоит узнать!

Почему нельзя есть одни бананы?

ТехИнсайдер
Турция: полный гид для идеального и небанального отдыха Турция: полный гид для идеального и небанального отдыха

Все, что поможет подготовиться к путешествию и спланировать отпуск в Турции

Правила жизни
Как говорить с партнером о сексе Как говорить с партнером о сексе

Как нужно говорить с партнером о своих желаниях и страхах в сексе

СНОБ
Как научиться любить себя: лучшие книги для саморазвития Как научиться любить себя: лучшие книги для саморазвития

Книги, которые помогут открыть себя заново

ТехИнсайдер
7 продуктов, которые поддержат силы в пост 7 продуктов, которые поддержат силы в пост

Какие продукты помогут не испытывать голод и усталость в пост?

РБК
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
Как прожить 100 лет? Долгожители поделились с The Guardian своими секретами Как прожить 100 лет? Долгожители поделились с The Guardian своими секретами

100-летние дедушки и бабушки особенно советуют не застревать в прошлом

Правила жизни
Гедонистическая адаптация: почему мы действительно к хорошему быстро привыкаем Гедонистическая адаптация: почему мы действительно к хорошему быстро привыкаем

Почему стать счастливым не так просто и что такое гедонистическая адаптация

Forbes
Революция «наоборот»: как Япония вырвалась из застоя, вернув власть императору Революция «наоборот»: как Япония вырвалась из застоя, вернув власть императору

Не существует единого рецепта модернизации. Страны действуют на свой лад

Вокруг света
Было или небула: как устроены туманности Было или небула: как устроены туманности

Учимся отличать Конскую Голову от Столпов Творения

Maxim
Автор детективов и фэнтези Майк Омер отвечает на 10 вопросов Автор детективов и фэнтези Майк Омер отвечает на 10 вопросов

Майк Омер раскрывает формулу ироничного детектива

Правила жизни
Синяки и потное лицо: тебя удивят странные причины, по которым голливудские актеры получили свои культовые роли Синяки и потное лицо: тебя удивят странные причины, по которым голливудские актеры получили свои культовые роли

Какие актеры самым неожиданным образом обошли конкурентов на кастинге?

VOICE
Анна Зайкова: «Это был счастливый билет, который мне вручил Марк Анатольевич Захаров» Анна Зайкова: «Это был счастливый билет, который мне вручил Марк Анатольевич Захаров»

Подошел мужчина, показал мою фотографию в телефоне и сказал: «Вы очень похожи»

Караван историй
«Фабельманы»: как Стивен Спилберг и другие режиссеры занимаются самоанализом в кино «Фабельманы»: как Стивен Спилберг и другие режиссеры занимаются самоанализом в кино

Кинокритик Тамара Ходова рассуждает, как все вдруг решили заняться самоанализом

Forbes
На изящном: как Эльза Скиапарелли привела изобразительное искусство в высокую моду На изящном: как Эльза Скиапарелли привела изобразительное искусство в высокую моду

Как художники и модные дизайнеры начали шагать рука об руку

Правила жизни
Кризис среднего возраста у мужчин: как пережить без потерь и вырасти как личность Кризис среднего возраста у мужчин: как пережить без потерь и вырасти как личность

В чем особенность кризиса среднего возраста у мужчин? Как преодолеть его?

Psychologies
Разобраться в механизме: как лечение редких заболеваний помогает развитию медицины Разобраться в механизме: как лечение редких заболеваний помогает развитию медицины

Почему от качества лечения редких заболеваний зависит будущее медицины

Forbes
Жерла планеты Жерла планеты

Действующие вулканы – это двери из огненного подземелья

Вокруг света
Горячий прием: 10 самых теплых городов России Горячий прием: 10 самых теплых городов России

За мягким климатом стоит отправиться в южные регионы страны

Вокруг света
Почему мы продуктивно работаем в кофейнях: 4 совета работникам на удаленке Почему мы продуктивно работаем в кофейнях: 4 совета работникам на удаленке

Неужели наша работа в кофейнях продуктивна только из-за бодрящего кофе?

Psychologies
18 признаков «энергетических вампиров» и 3 приема самозащиты 18 признаков «энергетических вампиров» и 3 приема самозащиты

Чувствуете себя совершенно опустошенным после общения с другом или коллегой?

Psychologies
«Девятая стадия из десяти возможных»: дядя Юра из «Спокойной ночи, малыши!» рассказал, как победил рак «Девятая стадия из десяти возможных»: дядя Юра из «Спокойной ночи, малыши!» рассказал, как победил рак

Юрий Григорьев смог победить онкологию на предпоследней стадии

VOICE
Вместе веселей: 7 животных, которые проводят время в тесной компании соплеменников Вместе веселей: 7 животных, которые проводят время в тесной компании соплеменников

В жизни многих видов животных есть моменты, когда они вступают в «колхоз»

Вокруг света
Из мужской в женскую: 8 фактов о юбке, которые должны знать все, кто ее носит Из мужской в женскую: 8 фактов о юбке, которые должны знать все, кто ее носит

Краткая история юбки от древности до наших дней

Вокруг света
Азы Таро: что нужно знать, чтобы твоя колода не пылилась на полке Азы Таро: что нужно знать, чтобы твоя колода не пылилась на полке

Что нужно знать, чтобы прибегать к помощи карт самостоятельно

VOICE
Открыть в приложении