为什么指纹独一无二？现在终于有答案了
The following article is from 原理 Author 糖兽
独一无二的存在
人们常说，世上没有两片完全相同的树叶。其实，人的指纹也同样如此。一直以来，指纹的这种独一无二的特性，使它们长期被用于个人身份的识别。
过去，科学家们已经提出几种不同的理论来解释指纹的形成，比如之前有研究认为，基因在指纹的生长过程中，起到了重要作用。然而这无法解释为什么连同卵双胞胎也拥有不同的指纹。
现在，在一项新发表于《细胞》杂志的研究中，一个研究团队终于揭开了指纹形成的生化机制。他们发现，每个人指尖的独特指纹，是由三种信号分子，以及手指形状和皮肤生长时间的细微差异，共同创造的。
三种重要的信号分子
我们指尖之上的凹凸纹路，形成于胎儿发育的早期。人们认为，这些微小的脊状凸起结构可以增加指尖的抓力和敏感度，并且它们的图样可以帮助我们对一些发育状况进行诊断。
根据纹路的图样，指纹主要可以分为三种类型：呈三角形的弓形纹，长长且、的弯曲的箕形纹，以及对称的呈圆形的斗形纹。
成人指尖上的弓形、箕形和斗形纹。（图/J. GLOVER ET AL/CELL 2023）
为了确定在指纹的形成过程中所表达的基因，研究人员对人类胚胎指尖的细胞核内的RNA进行了测序，发现了三种在指导指尖皮肤的生长中发挥了重要作用的信号分子（在细胞之间传递信息的信使）：WNT、BMP和EDAR。这三种信号分子共同控制了主要的脊状凸起的形成，衍化出了指纹的波纹结构。
小鼠“指纹”带来的启示
为了进一步研究这些信号分子是如何相互作用并形成纹路的，研究人员对小鼠的“指纹”进行了分析。小鼠的脚趾皮肤上也有简单的脊状凸起，可以将其与人类的指纹相比较。
通过控制小鼠体内的分子水平，他们发现，涉及到WNT和BMP这两种信号分子的基因，会在发育中的指尖细胞中以交替的条纹形式进行表达。当研究人员敲除WNT信号分子通路时，小鼠的脚趾上完全没有形成脊状凸起；而当BMP被敲除时，脊状凸起变得更宽了。
用简单的话来说，这意味着BMP会抑制细胞生长，在皮肤外层形成凹槽；WNT可以让细胞增殖，在皮肤上形成脊状凸起。
与此同时，他们发现EDAR与脊状凸起的粗细和间距有关：增加EDAR会导致小鼠的脚趾上出现更粗的、间距更宽的脊状凸起；而减少EDAR则会导致小鼠的脚趾上出现斑点状的凸起，而非条纹状的凸起。
时间、位置、形状，都很关键
WNT和BMP的这种对立关系，是图灵反应-扩散控制系统的一种标志性特征。这种系统由阿兰·图灵在20世纪50年代提出，它描述了化学物质如何相互作用和扩散，解释了自然界中出现的那些可见模式，比如植物叶片的排列，热带鱼身上的斑点或条纹等。
由于小鼠的脚趾太小，无法形成人类指纹那样的精致形状，因此在这项研究中，研究团队需要依靠计算机模型来模拟指纹的图灵斑图的扩散。已知在人类胚胎组织中，主要的脊状凸起始于指尖上的三个位置：柔软隆起的指垫的中心，指甲下的手指末端，以及最靠近指尖的关节折痕处。
于是，研究人员模拟了从这三个起始位置开始扩散的图灵斑图。通过让这些扩散起始于相对不同的时间、位置和角度，研究人员创造出了三种最常见的指纹模式——弓形纹、箕形纹和斗形纹，甚至还得出了一些更罕见的指纹模式。这表明，指纹图样的最终整体形状，还取决于手指的形状，以及脊状凸起形成的确切时间。
这是一项非常出色的研究，是理解指纹图样的一个重大进步。过去那些对皮肤纹路的研究往往更多地关注理论和建模方法，而非实验数据。但新的研究利用细胞培养技术和其他方法来推动了这一领域的实验方法的发展，大大地拓展了这一领域。让科学家有更多的机会关注隐藏在皮肤中的这些模式，了解皮肤的形成和发展。
#创作团队：
撰文：糖兽
排版：雯雯
#参考来源：
https://www.sciencenews.org/article/fingerprints-form-mystery
https://www.nature.com/articles/d41586-023-00357-x#ref-CR1
https://www.science.org/content/article/why-don-t-identical-twins-have-same-fingerprints-new-study-provides-clues
#图片来源：
封面图&首图：George Prentzas / Unsplash
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