ลายนิ้วมือของมนุษย์ถูกใช้ระบุตัวบุคคลมาตั้งแต่โบราณ

ชาวบาบิโลนและชาวจีนหลายพันปีก่อนลงลายนิ้วมือในเอกสารสัญญา

การตรวจสอบเปรียบเทียบลายนิ้วมืออย่างเป็นระบบเพื่องานสืบสวนสอบสวนเริ่มในยุโรปช่วงศตวรรษที่ 19

แม้แต่ในยุคสมาร์ตโฟนในปัจจุบันเราก็ยังคงใช้ลายนิ้วมือล็อกอินเข้าระบบส่วนบุคคลผ่านทัชสกรีน

ลวดลายบนนิ้วมือ (และนิ้วเท้า) ของเราเกิดจากร่องตื้นๆ บนชั้นหนังกำพร้า ลวดลายแบบนี้พบในมนุษย์และสัตว์อีกหลายชนิดที่ต้องปีนป่ายโดยอาจจะช่วยเพิ่มแรงเสียดทานให้หยิบจับวัตถุได้แน่นมากขึ้น

มนุษย์เรามีลายนิ้วมือตั้งแต่อายุได้ 15 สัปดาห์ในครรภ์และคงสภาพลายเดิมไปตลอดชีวิต

แม้ว่าพันธุกรรมจะมีส่วนกำหนดลายนิ้วมือ แต่ลายนิ้วมือของเราแต่ละคนจะไม่ซ้ำกันเลยแม้แต่กับแฝดเหมือน (identical twin)

ทีมวิจัยจากมหาวิทยาลัยเอดินบะระ (University of Edinburgh) เพิ่งไขปริศนาต้นกำเนิดของลายนิ้วมือมนุษย์ ก่อนหน้านี้เมื่อปีที่แล้ว (2021) ทีมวิจัยนานาชาติจากจีน อังกฤษ และสหรัฐ รายงานการค้นพบตำแหน่งยีนเกือบยี่สิบตำแหน่งที่มีอิทธิพลต่อแบบแผนของลายนิ้วมือ

ยีนพวกนี้เชื่อมโยงกับการพัฒนาแขนขาและนิ้ว ตลอดจนความสัมพันธ์ระหว่างลายนิ้วมือกับสัดส่วนของมือ

อย่างไรก็ตาม งานเมื่อปีที่แล้วยังไม่ได้ตอบคำถามว่ากลไกระดับโมเลกุลที่ทำให้เกิดลวดลายขึ้นนั้นเป็นอย่างไร

 

ปริศนาลายนิ้วมือเป็นส่วนหนึ่งของโจทย์ใหญ่ในวงการชีววิทยาว่าด้วยการกลไกการเกิดแบบแผน (pattern formation) บนร่างกายสิ่งมีชีวิต อะไรเป็นตัวกำหนดขนาด ตำแหน่ง จำนวน และรูปร่างของลวดลายจุดและเส้นบนใบไม้หรือผิวหนังสัตว์?

อะไรเป็นตัวกำหนดตำแหน่งการงอกของกระจุกขน ฟัน หรือรยางค์บนร่างกาย?

ถ้าสิ่งมีชีวิตเติบโตจากก้อนเซลล์ที่ไม่ว่ามองมุมไหนก็เหมือนๆ กันหมดแล้วแบบแผนมาจากไหน?

และต่อให้เราค้นพบโมเลกุล X อะไรซักอย่างที่เป็นตัวบอกว่าตำแหน่งไหนต้องมีสีอะไรหรืออวัยวะอะไรงอกขึ้น คำถามที่ตามมาคือแล้วไอ้เจ้าโมเลกุล X นี้มันถูกจัดเรียงเป็นแบบแผนอย่างนั้นได้ยังไง?

ถ้าลองมองในมุมกว้างขึ้นอีก โจทย์นี้แทบจะเป็นคำถามเชิงอภิปรัชญาว่า “ทำไมจักรวาลนี้จึงมีสิ่งต่างๆ เป็นรูปเป็นร่างแยกจากกันแทนที่จะมีแต่ก้อนมวลสารที่ผสมกันเป็นเนื้อเดียว”

ปรากฏการณ์นี้ดูจะขัดแย้งกับหลักทางฟิสิกส์ว่าด้วยความยุ่งเหยิง (entropy) กลุ่มอนุภาคที่เคลื่อนไหวได้อิสระมีแนวโน้มจะกระจายปนกัน อย่างถ้าเราเอาสีมาเทรวมกันมันจะแพร่กระจายปนกันมั่วไปหมด หรือในสเกลใหญ่อย่างถ้าเราเอาฝูงสัตว์หรือพืชไปปล่อยให้เคลื่อนไหวอิสระ หรือเอาลูกบอลใส่กล่องเขย่าๆ มันจะกระจายไปทั่ว ไม่น่าจะออกมาเป็นแบบแผนได้

คนที่เสนอคำตอบของปริศนานี้คือ Alan Turing บิดาแห่งคอมพิวเตอร์ยุคใหม่ (ฮีโร่ผู้ถอดรหัสนาซีในหนังเรื่อง The Imitation Game)

นอกจากเรื่องคอมพิวเตอร์แล้ว Turing ยังมีคุณูปการใหญ่หลวงต่อวงการชีววิทยาด้วยการเสนอแนวคิดเรื่อง Turing Pattern อันโด่งดังตั้งแต่ช่วงปี 1950s

หลักการคือมีสารอย่างน้อยสองตัวที่ “แพร่” ด้วยอัตราเร็วไม่เท่ากัน สมมุติว่าเป็น A กับ B โดยตัวที่แพร่ช้า (A) กระตุ้นการผลิตทั้ง A และ B

ส่วนตัวที่แพร่เร็ว (B) ยับยั้งการผลิตหรือเร่งการทำลาย A สมการคณิตศาสตร์ของ Turing ทำนายว่าเมื่ออัตราการแพร่ การผลิตและสลายตัวของ A และ B อยู่ในระดับเหมาะสมระบบแบบนี้แหละจะทำให้เกิด pattern ต่างๆ ได้มากมายทั้งลายทั้งจุดม้วนวนสลับซับซ้อนไม่รู้จบ

ความผันแปรเพียงนิดเดียวของระดับ A และ B ตอนเริ่มต้นไม่ได้จะถูกทำให้เจือจางหายไปด้วยการแพร่แต่จะถูกกลไกนี้ต่อเติมเพิ่มขยายจนกลายเป็น pattern ที่ออกมาแทบไม่เหมือนกัน

หลักการนี้ไม่ได้ใช้แค่อธิบายลวดลายสีหรือการกระจายอวัยวะเท่านั้น แต่ยังใช้กับปรากฏการณ์ในสเกลใหญ่ๆ อย่างระบบนิเวศน์ได้ด้วย

เช่น เราอาจจะสมมุติให้ A เป็นหญ้า B เป็นกวาง หญ้าขยายพันธุ์เพิ่มหญ้าและและเป็นอาหารเพิ่มจำนวนกวาง แต่กวางกิน (ลด) จำนวนหญ้า กวาง “แพร่” กระจายดีกว่าหญ้า (เพราะเดินไกลกว่าเร็วกว่า) ในสภาวะเหมาะสมระบบนี้จะทำให้เกิดเป็น pattern การกระจายกระจุกหญ้าแบบต่างๆ กัน

สำหรับเรื่องลายนิ้วมือเคยมีคนเอาสมการของ Turing มาอธิบายแล้ว แต่ยังไม่เจอกลไกทางชีวเคมีที่เกี่ยวข้อง ที่ผ่านมาจึงเป็นเพียงการคาดเดาด้วยแบบจำลองในคอมพิวเตอร์ (simulation)

แต่ที่ทีมวิจัยจากเอดินบะระทำคือหาสารที่เกี่ยวข้องเจอจริงๆ พร้อมกับการศึกษาที่ผสมผสานทั้งในเนื้อเยื่อทารกมนุษย์ระยะก่อนคลอด (บริจาคจากโรงพยาบาลเอดินบะระ), สัตว์ทดลอง (รูปแบบของรอยหยักในตีนหนู), เซลล์ผิวหนังมนุษย์ที่เพาะเลี้ยงแบบสามมิติ และการใช้ simulation

ทีมวิจัยเริ่มจากการศึกษายีนที่แสดงออกระหว่างพัฒนาลายนิ้วมือ (อย่างในคนคือช่วงตั้งแต่สิบสามสัปดาห์หลังปฏิสนธิและเสร็จช่วงสิบหกสัปดาห์) พบว่าชุดยีนที่เกี่ยวข้องเป็นชุดเดียวกับที่เกิดทำให้เกิดขน แต่ว่าที่ฝ่ามือฝ่าเท้านั้นมันไม่พัฒนาต่อมาเป็นขน หยุดแค่ตอนที่เป็นร่องเท่านั้น

สารสื่อสัญญาณจากยีนหลักๆ สามชนิดคือ WNT, BMP และ EDAR เป็นตัวหลักในการกำหนดแบบแผนของลายนิ้วมือ WNT กระตุ้นการเจริญของเซลล์จนกลายเป็นบริเวณที่นูนขึ้นมาเป็นขอบ

ขณะที่ BMP กดการเจริญของเซลล์กลายเป็นบริเวณร่องของลายนิ้วมือ

ส่วน EDAR กำหนดระยะห่างและขนาดระหว่างเส้นลายนิ้วมือ

WNT และ BMP เป็นแกนหลักตามสมการของ Turing Pattern เปรียบเสมือน “หญ้า” กับ “กวาง” ในตัวอย่างที่กล่าวไปตอนแรก WNTและ BMP ยังเป็นยีนคู่เดียวกับที่ทำให้เกิด Turing Pattern ที่กำหนดตำแหน่งนิ้วบนมือในงานวิจัยก่อนหน้านี้

ทีมวิจัยลองปรับระดับการแสดงออกของยีนพวกนี้และก็สามารถเปลี่ยนรูปแบบ ขนาด และการจัดเรียงตัวของร่องได้ตามที่ทฤษฎีว่าไว้ เช่น ถ้ากำจัด WNT ออกไปลายจะหาย ถ้ากำจัด BMP ลายจะห่าง แต่ถ้ากำจัด EDAR ลายจะกลายเป็นจุดแทน

บนนิ้วมนุษย์ลวดลายจะเกิดเป็นลูกคลื่นเริ่มจากสามบริเวณคือขอบนิ้วด้านบน กลางและร่องตรงข้อปลายสุด คลื่นที่เกิดขึ้นจะเบียดชนกันจนเกิดเป็นลายนิ้วมือรูปแบบต่างๆ อย่างก้นหอย (whorl), ห่วงโค้ง (loop) และมุมแหลม (arch) ความแตกต่างแม้เพียงนิดเดียวของปริมาณสารและตำแหน่งการกระจายตัวของสารพวกนี้ตอนเริ่มต้นจะทำให้เกิดเป็น pattern ต่างๆ ขึ้นมา

นี่เป็นคำอธิบายว่าทำไมแม้แต่แฝดเหมือนก็ยังมีลายนิ้วมือที่ต่างกัน

ทีมวิจัยสามารถใช้ simulation ที่สร้างจากข้อมูลที่ได้จากการทดลองนี้จำลองการเกิดลายนิ้วมือขึ้นมาได้อย่างในธรรมชาติ กลไกเดียวกันนี้ไม่ได้แค่กำหนดลายที่นิ้วมือแต่ยังรวมไปถึงรูปแบบการกระจายตัวของขนในส่วนอื่นๆ ของร่างกายด้วย

ความสวยงามของงานนี้คือการใช้คณิตศาสตร์เป็นเลนส์มองผ่านทะลุเห็นกลไกเบื้องหลังความเป็นไปในสิ่งมีชีวิต และความสามารถในการใช้โมเดลที่เรียบง่ายสุดๆ มาอธิบายสิ่งที่ซับซ้อนหลากหลายในโลกของชีววิทยาได้

อ้างอิง

[1] https://link.springer.com/chapter/10.1385/1-59259-946-x:117

[2] https://www.arrow.com/en/research-and-events/articles/how-fingerprint-sensors-work

[3] https://www.sciencenews.org/article/fingerprints-form-mystery

[4] https://www.nature.com/articles/d41586-023-00357-x

[5] https://phys.org/news/2023-02-fingerprints-unique-whorls.html

[6] https://www.science.org/content/article/why-don-t-identical-twins-have-same-fingerprints-new-study-provides-clues

[7] https://www.cell.com/cell/fulltext/S0092-8674(23)00045-4

[8] https://www.sciencenews.org/article/all-patterns-great-and-small

[9] https://www.sciencenews.org/article/pigment-pas-de-deux-puts-stripes-zebrafish

[10] https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/34995520/

[11] https://phys.org/news/2014-07-mathematical-theory-alan-turing-formation.html

 

สะดวก ฉับไว คุ้มค่า สมัครสมาชิกนิตยสารมติชนสุดสัปดาห์ได้ที่นี่https://t.co/KYFMEpsHWj

— MatichonWeekly มติชนสุดสัปดาห์ (@matichonweekly) July 27, 2022