Как формируются неповторимые дактилоскопические узоры на пальцах у людей

Эмбриологи решили исследовать, откуда происходят рисунки на подушечках пальцев. Известно, что этот процесс не случайный, поскольку форма центральных линий на подушечках пальцев унаследована в значительной степени. Связь с формой отпечатка наблюдается в множестве генов и локусов, порождающих разнообразные рисунки. В то же время, вопрос заключается в том, какие влияния оказывают эти гены и как образуются столь уникальные рисунки, которых нет двух одинаковых.

Алан Тьюринг описал различные процессы внутри зародыша, начиная от симметрии и заканчивая появлением рисунка на коже. Он предполагал, что все это происходит из-за нестабильности системы, вызванной шумом. Возникновение неравномерностей связано с положительной обратной связью, где сигнальный белок-активатор усиливает своё производство, а также с механизмом белка-ингибитора, который ограничивает распространение активатора. Так формируются зоны без активации.

Реакционно-диффузионная модель образования паттернов была разработана и уточнена с течением времени. Была предложена вариация этой модели, описывающая взаимодействие между Sox9 и Bmp2 в развивающихся пальцах. Паттерны Тьюринга были обнаружены не только на ладонях, но и на шкуре тигров, перьях птиц, глазах насекомых, клеточных мембранах и даже в природе (висмуте, песчаных дюнах, галактических дисках).

Однако сложно доказать, что точно по модели Тьюринга формируются паттерны у живых организмов.

Для выяснения процесса формирования рисунков на кончиках пальцев было необходимо определить, какие сигнальные белки играют роль. Ученым было известно, что участки с папиллярными линиями (на ладонях и ступнях) отличаются от других участков кожи, поскольку на них отсутствуют волосы.

Поверхностный эпидермальный слой на ладонях и ступнях состоит из таких же клеток, как и в других частях тела, но имеет принципиальные различия. Например, отсутствуют клетки соединительной ткани и волосяные фолликулы.

Исследования проводились на мышах, поскольку получение эмбрионов значительно проще. Хотя мыши не обладают таким разнообразием отпечатков, как у людей, на их пальцах также присутствуют поперечные линии, что позволяет предполагать схожие механизмы формирования. В ранних стадиях развития пальцев мыши используют те же гены, что и в других частях поверхности тела, включая гены, ответственные за развитие волос, которые, однако, перестают функционировать на пальцах.

Следующий вопрос, который требовал решения, — как образуются эпидермальные гребни, то есть папиллярные линии? Ранее полагалось, что это результат деформации из-за давления, но британские исследователи не нашли подтверждений этой теории. Вместо этого было обнаружено, что эпидермальные клетки на кончиках пальцев более активно делятся. Клетки, которые делятся интенсивнее, проникают внутрь кожи, образуя ямки и выталкивая своих потомков наружу, что приводит к образованию борозд и гребней. За этот процесс отвечает ген Edar, который активируется до появления складок на пальце. Клетки, где ген активен, можно увидеть по характерному паттерну на мышиных пальцах, если окрасить их.

Образование индивидуальных отпечатков наших пальцев возникает в результате совпадения двух факторов. Первый — это случайные колебания концентрации сигнальных белков в клетках, которые запускают алгоритм Тьюринга. Второй — это время их появления в трех участках развивающегося пальца. Когда три стоячие волны сходятся, формируется рисунок, который неповторим. То есть случайность в пространстве сочетается с случайностью во времени. Хотя можно предположить общую форму окончательного результата, слишком много случайных факторов, чтобы точно предсказать итоговый рисунок.

Ранее мы рассказывали, что ученые разработали виброкапсулу для желудка, помогающую похудеть. Использование лекарств в лечении ожирения может иметь противопоказания, а хирургические операции требуют значительных изменений образа жизни и недоступны для всех.