Как се образуват пръстовите отпечатъци бе загадка - досега

Теория, предложена от математика Алън Тюринг през 50-те години на миналия век, помага да се обясни този процес

Ваня Милева Последна промяна на 14 февруари 2023 в 00:01 5219 0

Три от най-често срещаните форми на пръстовите отпечатъци - дъга, примка и спирала (очертани в лилаво) - могат да бъдат обяснени отчасти с теория, предложена от британския математик Алън Тюринг. Кредит: J. Glover et al/Cell 2023

Най-после е изяснено как се образуват тези дъги, примки и спирали на върховете на човешките пръсти.

Докато човешкият ембрион е в утробата, определящите пръстовите отпечатъци извивки се разширяват навън на вълни, започващи от три различни точки на всеки пръст. 

Кожата се образува на ивици благодарение на взаимодействията между три молекули, които следват т.нар. модел на Тюринг, съобщават изследователи наскоро в  списание Cell.

Начинът, по който тези гънки се разпространяват от началните си места (и се сливат) определя цялостната форма на пръстовия отпечатък.

Пръстовите отпечатъци са уникални и остават за цял живот. Те се използват за идентифициране на лица от 1800 г. насам. Представени са няколко теории, които обясняват как се формират пръстовите отпечатъци, включително спонтанно нагъване на кожата, молекулярна сигнализация и идеята, че рисунъкът на отпечатъците може да следва разположението на кръвоносните съдове.

Пръстовите отпечатъци се образуват между 13 и 19 седмици от развитието на ембриона. Характерните шарки на пръстовите отпечатъци, започват да се формират като низходящи грапавини в кожата, подобни на улеи. През следващите няколко седмици бързо размножаващите се клетки в улеите започват да растат нагоре, което води до удебеляване на кожните ивици.

Тъй като зараждащите се шарки на пръстови отпечатъци и развиващите се космени фоликули имат сходни низходящи структури, изследователите в новото проучване сравняват клетките от двете места.

Екипът установява, че и двете места имат общи някои видове сигнални молекули - месинджъри (пратеници), които предават информация между клетките - включително три, известни като WNT, EDAR и BMP. По-нататъшните експерименти разкриват, че WNT заставя на клетките да се размножават, образувайки хребети в кожата, и да произвеждат EDAR, който от своя страна допълнително засилва активността на WNT. BMP възпрепятства тези процеси.

За да проучи как тези сигнални молекули могат да си взаимодействат, за да образуват шарки, екипът регулира нивата на молекулите при мишки. Мишките нямат пръстови отпечатъци, но кожата на пръстите им има ивици, сравними с човешките отпечатъци.

Изследователите променят количеството на WNT, EDAR или BMP и наблюдават как се променя шарката.

Увеличаването на EDAR води до по-дебели, раздалечени един от друг хребети, а намаляването му - до появата на петна, а не на ивици. Обратното се случва с BMP, тъй като той възпрепятства производството на EDAR.

Кредит:  J. Glover et al. doi: 10.1016/j.cell.2023.01.015.

Това превключване между ивици и петна е характерна промяна, наблюдавана в реакционно-дифузионните системи на Тюринг, обяснява Денис Хедън (Denis Headon), специалист по биология на развитието от Единбургския университет.

Тази математическа теория, предложена през 50-те години на миналия век от британския математик Алън Тюринг, описва как химичните вещества си взаимодействат и се разпространяват, за да създадат моделите, наблюдавани в природата. (вижте повече за развитието на идеята на Тюринг за образуването на шарките на животните)

Пръстите на мишките обаче са твърде малки, за да се получат сложните форми, които се наблюдават в човешките пръстови отпечатъци. Така че изследователите използват компютърни модели, за да симулират модел на Тюринг, разпространяващ се от трите известни досега места за иницииране на гребена на върха на пръста: центъра на възглавничката на пръста, под нокътя и в сгъвката на ставата, която е най-близо до върха на пръста.

Чрез промяна на относителното време, местоположението и ъгъла на тези начални точки екипът може да създаде всеки от трите най-разпространени модела на пръстови отпечатъци - дъги, примки и спирали - и дори още по-редки. Дъгите, например, могат да се образуват, когато хребетите на възглавничките на пръстите започват бавно, позволявайки на хребетите, произхождащи от гънката и под нокътя, да заемат повече място.

Контролираната конкуренция между молекулите определя и разпределението на космените фоликули. Новото изследване показва, че формирането на пръстовите отпечатъци следва някои основни принципи, които вече са разработени за други видове модели в кожата.

Хората с генни мутации, които засягат WNT и EDAR, имат кожни аномалии.

Като цяло, екипът има за цел да помогне при неправилното развитие на кожните структури като потните жлези в утробата, а може би дори и след раждането, отбелязва Хедън.

"Това, което искаме да направим, в по-широк смисъл, е да разберем как съзрява кожата."

Справка: J. Glover et al. The developmental basis of fingerprint pattern formation and variation. Cell. Published online February 9, 2023. doi: 10.1016/j.cell.2023.01.015.

Източник: How fingerprints form was a mystery — until now, Science News

Механизмът, определящ шарките на животните

Дейвид Юнг доразвива идеята на Тюринг на базата на клетъчните автомати.

Още в ранния зародиш кожата на леопарда (или тигъра, зебрата, жирафа ... ) се покрива с равномерно с меланоцити (клетки пигмент). Тези клетки могат да са в едно от двете състояния:

  • различаваща се (D) и
  • неразличима (U).

Цветът се произвежда само в D-клетките. Освен това, D-клетките отделят два морфогена:

  • активатор (A) и
  • инхибитор (I) - обратното на активатор.

Двата химикала се разпръскват от всяка D-клетка и тяхната концентрация намалява с отдалечаване от D-клетката. 

А-концентрацията е най-голяма около D-клетката, но отслабва по-бързо от I-концентрацията. Така на известно разстояние от D-клетката, I-концентрацията започва да превишава А-концентрацията от тази клетка.

Всяка клетка постоянно се изпълва с А и I морфогени от всички съседни D-клетки. Ако в U-клетката, А-концентрацията превишава I-концентрацията, клетката става D и започва сама да отделя морфогени. Ако в D- клетката, I-концентрацията превишава А-концентрацията, клетката става U и престава да произвежда морфогени.

Смята се, че еволюцията на окраската на животинските кожи е форма на самоорганизация на D-клетките и произтича от току-що описаните химически цикли.

Дейвид Юнг представя модела на кожата на животното като квадратен масив от клетки меланоцити в едно от двете състояния:

  • жива (за различаваща се D-клетка) и
  • мъртва (за неразличима U-клетка).

Приема се, че морфогенното разсейване има форма на кръг. който има радиус, например 6 клетки. Всяка D-клетка в границите на този кръг отделя морфогени, които достигат централната клетка. Ако D-клетката е достатъчно близо до центъра (да кажем в пределите на кръг с радиус 3 от центъра), тогава тя внася А-морфогени в централната клетка. Всяка D-клетка на разстояние повече от 3 от центъра (но все пак не далече от 6) внася I-морфогени в централната клетка. Юнг приема А-концентрацията за единица, константа за всички D-клетки в радиус 3 от центъра, а за I-концентрацията - някакво друго число w, константа за всички D-клетки в пръстеновидната област между 3 и 6 от центъра.

След това се действа по правилото на клетъчните автомати: преброяваме всички D-клетки в този пръстен и наричаме това число ID, преброяваме всички D-клетки в кръга с радиус 3 и наричаме това число AD.

Ако AD - w*ID > 0 централната клетка става D (различаваща се),
Ако AD - w*ID < 0 централната клетка става U (неразличима),
Ако AD - w*ID = 0 централната клетка остава без промени.

Анимацията показва десет генерации за масив 80/80, започваща в началото с произволно разпределение. От кадър в кадър се променя само w ( параметър, означаващ концентрацията на инхибитора) . Имайте предвид, че при малка концентрация на инхибитора, болшинството клетки стават различаващи се (черни), а когато концентрацията на инхибитора расте, окраската се развива от ивици в черни точки на бял (неразличаващ се) фон.

Поставете мишката върху желаната стойност на w .
0.8 0.9 0.10 0.11 0.12 0.13 0.14 0.15 0.16 0.17 0.18 0.19 0.20

В показаната анимация полученото изображение не прилича на вертикалните ивици на зебрата и тигъра, но то може да стане чрез модификация на модела - ако областта вече не е кръгла, а елипсовидна, а областта на активизатора - по-малка елипса с дълга ос, перпендикулярна на дългата ос на голямата елипса.

В биологичните системи, тези елипсовидни области са белег на това, че има някакви механични усилия, намесващи се в работата допълнително към чисто биохимическата дифузия, но това е извън темата ни. А какво би станало, ако осите на елипсите не са перпендикулярни?

Благодарение на този механизъм, за да се предава по наследство окраската на кожата е необходимо да се предава само специфичната за вида концентрация на инхибитора.

Вероятно по същия механизъм се образуват шарките не само на бозайниците. Забележете тялото на морския охлюв на снимката вдясно. Не повтарят ли точно симулацията по-горе за w=0.13?

Тюринг публикува изследванията си през 1952г., но първото експериментално потвърждение на идеите му става през 1998г. Следват серия от други доказателства и днес статията Тюринг вече се е превърнала в класика. На нея се позовават не само химици и физици, но и много биолози, които изучават подобни процеси у живите същества и то не само процесите, водещи до появата на ивици или петна. Те са само частен случай на по-общ процес.

"Ако има два процеса, които действат [като активатор и инхибитор], винаги може да получите като резултат периодични модели", казва Джереми Грийн (Jeremy B.A. Green), биолог-изследовател, съавтор на публикацията Periodic stripe formation by a Turing-mechanism operating at growth zones in the mammalian palate. Той и колегите му са установили, че две химически вещества, които се държат като активатор и инхибитор, водят до равномерно разположени набраздявания в устата в миши ембриони. Когато изследователите увеличават или намаляват активността на тези химикали, моделът се променя точно както предсказват уравненията на Тюринг .

Моделът на Тюринг описва всякакъв растеж на биологичните системи, при които размножаващите се на едно място клетки се разпространяват (дифузират) в съседните области. Такива процеси водят, както показват проучванията, до появата подобни на Тюринговите модели.

Източници:

Fractal Geometry - Yale University
When Math Meets Nature: Turing Patterns and Form Constants
Biologists Home in on Turing Patterns
Turing's model for biological pattern formation and the robustness problem
Periodic stripe formation by a Turing-mechanism operating at growth zones in the mammalian palate
Pattern formation
Alan Turing’s Patterns in Nature, and Beyond
Полоски зебры с точки зрения науки
Scientists Explain a Fundamental Equation of Life

Най-важното
Всички новини
За писането на коментар е необходима регистрация.
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!

Няма коментари към тази новина !