指紋由脊狀紋路擴散、碰撞形成。圖片來源：Tek Image/Science Photo Library

指紋獨特的弓型、環(huán)型和螺旋型圖案是在胎兒發(fā)育過程中，由指尖上微小脊狀波紋擴散后相互碰撞形成的。這與斑馬產(chǎn)生條紋或獵豹產(chǎn)生斑點的過程類似。

一項2月9日發(fā)表于《細胞》的研究表明，兩種蛋白質之間的相互作用（一種刺激脊紋形成，另一種抑制脊紋形成）會產(chǎn)生周期性脊紋，后者出現(xiàn)在指尖的3個不同區(qū)域。脊紋間碰撞和這3個區(qū)域的精確位置產(chǎn)生了指紋的獨特圖案。研究合著者、英國愛丁堡大學發(fā)育生物學家Denis Headon說：“要形成不同的弓型、環(huán)型和螺旋型，關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別個體和診斷一些發(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。它們似乎為指紋的形成奠定了基礎，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。解剖學研究和基因活性分析表明，形成脊紋的細胞遵循一種最初模仿毛囊的發(fā)育路徑。但是，與毛囊的基因活動模式不同，脊細胞無法吸收皮膚表面下更深層的細胞。

這些分析支持了“圖靈反應-擴散系統(tǒng)”的存在。當激活發(fā)育過程的分子同時刺激自身和一種抑制分子時，就會創(chuàng)建這種系統(tǒng)。西班牙坎塔布里亞生物醫(yī)學與生物技術研究所的發(fā)育生物學家Marian Ros表示，這是一個能創(chuàng)造周期性圖案的自組織系統(tǒng)。

1952年，數(shù)學家艾倫·圖靈提出了該系統(tǒng)，將其作為發(fā)育過程的化學解釋，例如植物葉子的排列或小型水生生物水螅的觸須。從那時起，圖靈反應-擴散機制就被認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)的人類細胞。他們發(fā)現(xiàn)，一種名為WNT的蛋白質，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的蛋白質則會抑制它們，從而形成圖靈反應-擴散系統(tǒng)。

脊狀波紋來自3個區(qū)域：指尖、指尖中心、指尖底部的褶痕（手指彎曲的地方）。Headon團隊在這3個區(qū)域改變了脊紋起源的時間、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的發(fā)育生物學家Cheng Ming Chuong說：“這些波紋會相互碰撞并產(chǎn)生漩渦，這有助于指紋圖案多樣性的形成?！?/p>

Chuong指出，過去對皮膚皺紋（如指紋）的研究往往更側重于理論和建模方法，而不是實驗數(shù)據(jù)。但最新的研究利用了細胞培養(yǎng)技術及其他方法推動這一領域的研究。他說：“這項研究開拓了這一領域，現(xiàn)在人們可能會更多地關注我們皮膚上這些隱藏的圖案。”

（原標題《指紋為啥不重樣》）

相關論文信息：

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