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

Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха Мезозойские млекопитающие и их родственники оказались обладателями однотонного темно-коричневого меха

Палеонтологи реконструировали окраску шести маммалиаформов

N+1
Потерять — так миллиард Потерять — так миллиард

Учимся у рекордсменов потерь 2022 года

Деньги
Потепление на полтора градуса пойдет на пользу сибирской тайге Потепление на полтора градуса пойдет на пользу сибирской тайге

Как повлияет потепление климата на амазонские леса и сибирскую тайгу?

N+1
Импорт в гостях у импортозамещения Импорт в гостях у импортозамещения

Прогнозы российского импорта на следующие три года значительно улучшены

Деньги
Дела сердечные: как современный ритм жизни влияет на риск возникновения инфаркта Дела сердечные: как современный ритм жизни влияет на риск возникновения инфаркта

Какие привычки бьют по сердцу сильнее наследственности?

Правила жизни
«Боюсь делать минет»: 4 главных принципа орального секса — советы эксперта «Боюсь делать минет»: 4 главных принципа орального секса — советы эксперта

Главные препятствия на пути к самому желанному сексуальному навыку — минету

Psychologies
Маменькин китенок: почему косатка всю жизнь заботится о единственном сыне? Маменькин китенок: почему косатка всю жизнь заботится о единственном сыне?

Если самка косатки родила мальчика, он остается ее единственным отпрыском

Вокруг света
Красные флаги: восемь поводов сменить инвестиционного советника Красные флаги: восемь поводов сменить инвестиционного советника

Как выбрать инвестиционного советника и на что обратить внимание?

Forbes
Выглядит просто смешно: эти аксессуары на женщинах 40+ смотрятся нелепо - носить не стоит! Выглядит просто смешно: эти аксессуары на женщинах 40+ смотрятся нелепо - носить не стоит!

Возможно, тебе стоит пересмотреть актуальность своих аксессуаров

VOICE
«Я начала карьеру заново в 45 лет»: личный опыт — 5 советов коуча «Я начала карьеру заново в 45 лет»: личный опыт — 5 советов коуча

Как искать работу после большого перерыва?

Psychologies
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
Команда Команда

Ушедший год для молодых артистов выдался более чем насыщенным

OK!
Как правильно вмешаться в ссору близких и нужно ли вообще это делать? Как правильно вмешаться в ссору близких и нужно ли вообще это делать?

Если два близких тебе человека поссорились, лучше всего как можно быстрее бежать

VOICE
Какие звуки вызывают чувство тревоги и как от них можно защититься? Какие звуки вызывают чувство тревоги и как от них можно защититься?

Почему определенные шумы вселяют в нас чувство тревоги?

Psychologies
Блиц-интервью: Георгий Дронов Блиц-интервью: Георгий Дронов

Актер Георгий Дронов — об отношении к своей популярности и «папе» Борисе Клюеве

Лиза
Задолго до человека: кто создал древнейшие каменные орудия Задолго до человека: кто создал древнейшие каменные орудия

Создатели этих каменных орудий не были людьми и даже прямыми предками людей

Forbes
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
Извержения древних вулканов помогли раскрыть то, как происходило Великое вымирание — самая жуткая катастрофа в истории Извержения древних вулканов помогли раскрыть то, как происходило Великое вымирание — самая жуткая катастрофа в истории

Южное полушарие Земли было покрыто обломками вулканических извержений

ТехИнсайдер
Депрессия: шаг в пропасть Депрессия: шаг в пропасть

Как распознать у себя депрессию и скорее начать её лечение?

ТехИнсайдер
«Женщина становится более сексуальной»: как менопауза меняет жизнь — неочевидные преимущества «Женщина становится более сексуальной»: как менопауза меняет жизнь — неочевидные преимущества

Научный взгляд на вопрос секса после менопаузы от специалиста

Psychologies
Ледники на Северном и Южном полюсах Земли растаят гораздо раньше, чем предсказывали ученые Ледники на Северном и Южном полюсах Земли растаят гораздо раньше, чем предсказывали ученые

Ледяные щиты Гренландии и Антарктиды ждет необратимый распад

ТехИнсайдер
10 худших мест для первого свидания - не совершайте эти ошибки! 10 худших мест для первого свидания - не совершайте эти ошибки!

10 мест, куда ни в коем случае не стоит идти на первое свидание

ТехИнсайдер
Стресс-код: 5 способов быстро расслабиться Стресс-код: 5 способов быстро расслабиться

Техники, которые помогут моментально успокоиться

VOICE
Потерянный рай Потерянный рай

Имя 20-летнего Марка Эйдельштейна громко прозвучало в 2022 году

OK!
Старший брат современных бананов — Старший брат современных бананов —

Современные бананы отличаются от фруктов, которыми питались люди в XX веке

ТехИнсайдер
Почему британские компании переходят на четырехдневную рабочую неделю Почему британские компании переходят на четырехдневную рабочую неделю

Британские компании решили сохранить четырехдневную рабочую неделю

СНОБ
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
Миллениалы: кто они и почему о них все говорят? Миллениалы: кто они и почему о них все говорят?

Кто такие «игреки», и какими ценностями они обладают?

ТехИнсайдер
«Внутренне я нахожусь все еще в Чечне» «Внутренне я нахожусь все еще в Чечне»

Малика Мусаева о своем фильме «Клетка ищет птицу» из конкурса Берлинале

Weekend
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