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

Городские острова тепла вдвое снизили смертность людей из-за холода Городские острова тепла вдвое снизили смертность людей из-за холода

Городской остров тепла снижает смертность населения от холода на 51,5 процента

N+1
«Просвещение может нам помочь»: биолог Александр Панчин о будущем научпопа в России «Просвещение может нам помочь»: биолог Александр Панчин о будущем научпопа в России

Александр Панчин рассказывает, что сейчас происходит с научпопом в России

Forbes
На Марсе будут расти дома: ученые придумали способ, который решит проблему колонизации На Марсе будут расти дома: ученые придумали способ, который решит проблему колонизации

Как строить из того, что предлагает сам Марс?

Inc.
Загробные миры, которым позавидуют христианский рай и ад Загробные миры, которым позавидуют христианский рай и ад

Предлагаем варианты нескучной загробной жизни на любой вкус

Maxim
Экосистемы с обилием бабочек лучше адаптировались к внезапным засухам Экосистемы с обилием бабочек лучше адаптировались к внезапным засухам

Как бабочки делают экосистемы более устойчивыми к засухам

N+1
В поисках утраченного гения В поисках утраченного гения

Как Вермеер из наследника Рембрандта стал великим современником Пикассо и Дали

Weekend
Диета для похудения живота и боков: миф или реальность? Диета для похудения живота и боков: миф или реальность?

Что нужно делать, чтобы придать телу желаемые очертания?

Лиза
Как правильно собирать чемодан: лайфхаки, которые помогут компактно упаковать вещи Как правильно собирать чемодан: лайфхаки, которые помогут компактно упаковать вещи

Как компактно собрать чемодан, чтобы в него поместилось все необходимое

ТехИнсайдер
«Новый этикет»: что сейчас нельзя делать на первом свидании «Новый этикет»: что сейчас нельзя делать на первом свидании

Давно не была на свиданиях? Хочешь чувствовать себя увереннее?

VOICE
Малоизвестные сериалы, которые не сдуваются до последнего сезона Малоизвестные сериалы, которые не сдуваются до последнего сезона

Лучшие сериалы на тот случай, если у тебя появилось много свободного времени

Maxim
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
Дважды король Румынии Дважды король Румынии

Как Михай дважды побывал королём Румынии

Дилетант
Разрешать ли 9-летнему ребенку спать с родителями? Или пора взрослеть? Мнение Разрешать ли 9-летнему ребенку спать с родителями? Или пора взрослеть? Мнение

Можно ли делать исключения при воспитании детей?

ТехИнсайдер
В ядре Земли идет странный кремниевый снег, который падает не вниз, а вверх В ядре Земли идет странный кремниевый снег, который падает не вниз, а вверх

Что находится внутри Земли?

ТехИнсайдер
Когда связи рвутся Когда связи рвутся

Как помочь ребенку пережить развод родителей?

Лиза
Создан прочный суперсплав, отлично переносящий высокие температуры Создан прочный суперсплав, отлично переносящий высокие температуры

Ученые использовали новую технику 3D-печати для создания нового суперсплава

ТехИнсайдер
«Метамышление» «Метамышление»

Как нейронауки помогают нам понять себя

N+1
Неудобный академик: в театре «Практика» биографию Сахарова превратили в оперу Неудобный академик: в театре «Практика» биографию Сахарова превратили в оперу

Спектакль «Аскет», посвященный академику и правозащитнику Андрею Сахарову

Forbes
Какой источник энергии питал первые живые организмы на Земле? Какой источник энергии питал первые живые организмы на Земле?

Какая сила помогала первым живым существам расти и размножаться?

ТехИнсайдер
Как не впасть в синдром «яжемать» Как не впасть в синдром «яжемать»

«Яжемать»: откуда возникает это явление и нужно ли с ним бороться?

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

Британские компании решили сохранить четырехдневную рабочую неделю

СНОБ
Свои люди: как мы понимаем, кому доверять, — принципы распознавания Свои люди: как мы понимаем, кому доверять, — принципы распознавания

Как у людей работает система опознавания «свой — чужой»

Psychologies
Жители США буквально живут в «декорациях» фильма. Но это угрожает их здоровью и экологии Жители США буквально живут в «декорациях» фильма. Но это угрожает их здоровью и экологии

Фильм-катастрофа в штате Огайо неожиданно стал реальностью

ТехИнсайдер
Не только «Она»: 10 фильмов об отношениях между людьми и искусственным интеллектом Не только «Она»: 10 фильмов об отношениях между людьми и искусственным интеллектом

Фильмы об отношениях людей с ИИ

Правила жизни
Масленица в огне: зачем в Никола-Ленивец ежегодно жгут арт-объекты Масленица в огне: зачем в Никола-Ленивец ежегодно жгут арт-объекты

Зачем уничтожать искусство, которое несколько месяцев строят десятки человек?

Forbes
Как понять, что вы — нарциссическая жертва? Как понять, что вы — нарциссическая жертва?

Как понять, что вы — нарциссическая жертва? И можно ли исцелиться?

Psychologies
«Я родила и кормлю грудью!»: женщина впервые стала мамой в 52 года, потратив на ЭКО 22 млн рублей «Я родила и кормлю грудью!»: женщина впервые стала мамой в 52 года, потратив на ЭКО 22 млн рублей

Луиза Хон родила здорового ребенка после борьбы с бесплодием и шести попыток ЭКО

VOICE
Суперпродукт не только для телят Суперпродукт не только для телят

В чем ценность молозива?

Здоровье
Свой пошив: зачем в Иваново повезли шоп-туры Свой пошив: зачем в Иваново повезли шоп-туры

Как работает главный пошивочный цех страны — в репортаже Forbes

Forbes
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
Открыть в приложении