指紋由脊?fàn)罴y路擴(kuò)散、碰撞形成。圖片來源：Tek Image/Science Photo Library

指紋獨(dú)特的弓型、環(huán)型和螺旋型圖案是在胎兒發(fā)育過程中，由指尖上微小脊?fàn)畈y擴(kuò)散后相互碰撞形成的。這與斑馬產(chǎn)生條紋或獵豹產(chǎn)生斑點(diǎn)的過程類似。

一項(xiàng)2月9日發(fā)表于《細(xì)胞》的研究表明，兩種蛋白質(zhì)之間的相互作用（一種刺激脊紋形成，另一種抑制脊紋形成）會(huì)產(chǎn)生周期性脊紋，后者出現(xiàn)在指尖的3個(gè)不同區(qū)域。脊紋間碰撞和這3個(gè)區(qū)域的精確位置產(chǎn)生了指紋的獨(dú)特圖案。研究合著者、英國愛丁堡大學(xué)發(fā)育生物學(xué)家Denis Headon說：“要形成不同的弓型、環(huán)型和螺旋型，關(guān)鍵不僅在于分子成分，還在于它們是如何在手上分布的。”

指紋可增加指尖的摩擦力和靈敏度，且長期以來一直被用于識(shí)別個(gè)體和診斷一些發(fā)育狀況。去年，Headon等研究了影響指紋形狀的基因，其中許多與肢體發(fā)育有關(guān)。它們似乎為指紋的形成奠定了基礎(chǔ)，但其中許多基因在指紋形成過程中并不活躍，表明它們并沒有直接參與指紋中脊的形成。

為了解更多關(guān)于指紋圖案的信息，Headon等研究人員追蹤了指紋在胎兒發(fā)育過程中是如何形成的。解剖學(xué)研究和基因活性分析表明，形成脊紋的細(xì)胞遵循一種最初模仿毛囊的發(fā)育路徑。但是，與毛囊的基因活動(dòng)模式不同，脊細(xì)胞無法吸收皮膚表面下更深層的細(xì)胞。

這些分析支持了“圖靈反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)”的存在。當(dāng)激活發(fā)育過程的分子同時(shí)刺激自身和一種抑制分子時(shí)，就會(huì)創(chuàng)建這種系統(tǒng)。西班牙坎塔布里亞生物醫(yī)學(xué)與生物技術(shù)研究所的發(fā)育生物學(xué)家Marian Ros表示，這是一個(gè)能創(chuàng)造周期性圖案的自組織系統(tǒng)。

1952年，數(shù)學(xué)家艾倫·圖靈提出了該系統(tǒng)，將其作為發(fā)育過程的化學(xué)解釋，例如植物葉子的排列或小型水生生物水螅的觸須。從那時(shí)起，圖靈反應(yīng)-擴(kuò)散機(jī)制就被認(rèn)為有助于建立各種人類熟悉的生物景象，包括一些熱帶魚鮮艷的鱗片和鳥類的羽毛圖案。

為找到指導(dǎo)形成指紋圖案的分子，Headon等研究了小鼠腳趾上的脊，以及三維培養(yǎng)的人類細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)，一種名為WNT的蛋白質(zhì)，在毛囊發(fā)育過程中起著重要作用，能刺激脊紋的形成。另一種名為BMP的蛋白質(zhì)則會(huì)抑制它們，從而形成圖靈反應(yīng)-擴(kuò)散系統(tǒng)。

脊?fàn)畈y來自3個(gè)區(qū)域：指尖、指尖中心、指尖底部的褶痕（手指彎曲的地方）。Headon團(tuán)隊(duì)在這3個(gè)區(qū)域改變了脊紋起源的時(shí)間、角度和精確位置，并創(chuàng)建了弓型、環(huán)型和螺旋型圖案。美國南加利福尼亞大學(xué)的發(fā)育生物學(xué)家Cheng Ming Chuong說：“這些波紋會(huì)相互碰撞并產(chǎn)生漩渦，這有助于指紋圖案多樣性的形成。”

Chuong指出，過去對皮膚皺紋（如指紋）的研究往往更側(cè)重于理論和建模方法，而不是實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。但最新的研究利用了細(xì)胞培養(yǎng)技術(shù)及其他方法推動(dòng)這一領(lǐng)域的研究。他說：“這項(xiàng)研究開拓了這一領(lǐng)域，現(xiàn)在人們可能會(huì)更多地關(guān)注我們皮膚上這些隱藏的圖案。”

（原標(biāo)題《指紋為啥不重樣》）

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https://doi.org/10.1038/d41586-023-00357-x