Отпечатки пальцев – чтобы щупать

Узоры папиллярных линий, которые обычно называют отпечатками пальцев, – черта, присущая очень немногим животным. Наличие индивидуальных отпечатков достоверно установлено у коал и одного из американских видов куниц, однако чаще всего они встречаются лишь у представителей одного отряда – приматов, в том числе и самого совершенного из них.

У человека папиллярные гребни давно исследованы. Они образуются рядами специальных «сосочков», находящихся в глубине кожи, под слоем эпидермиса. Характерное расстояние между линиями узора составляет от нескольких десятых долей до примерно половины миллиметра, характерная глубина рельефа – 50–80 микрон. Узор этих гребней формируется ещё в утробе матери, на 3–4 месяцах её беременности, и даже у однояйцевых близнецов отпечатки пальцев в целом похожи, но в деталях совершенно не совпадают.

Однако на вопрос, зачем природе понадобились эти замысловатые узоры, окончательного ответа нет до сих пор.

Существуют две основных версии, которые совсем не исключают ни друг друга, ни какого-то третьего назначения. Во-первых, мелкая текстура на коже пальцев и ладоней повышает сцепление с естественными поверхностями, которые сплошь хоть немного шероховаты; при отсутствии ярко выраженных когтей такое приобретение, как кожные гребни, кажется очень полезным.

Во-вторых, наличие узора может повышать чувствительность к упомянутой шероховатости поверхностей, определяемой на ощупь. Человеческие руки лишены не только когтей, но и волосяного покрова на ладонях и кончиках пальцев. Но именно нервные окончания, овивающие подкожную часть волосков, обеспечивают основную чувствительность кожи к движениям и вибрациям.

Давление же чувствуют специальные глубинные рецепторы – так называемые мейсснеровы и пачиниевы (фатер-пачиниевы) тельца. Первые расположены сразу под эпидермисом, в тех самых «сосочках», ряды которых образуют гребни на поверхности пальцев, вторые – глубоко в дерме, на глубине примерно 2 миллиметра под наружной поверхностью кожи.

По мнению многих учёных, роль рельефа на поверхности наших пальцев – «подпрыгивать» при скольжении пальцев по обследуемой поверхности, превращая её неровности в акустические колебания в коже, которые способны регистрировать рецепторы давления.

Какой именно рецептор «завязан» на определение текстуры поверхности с помощью папиллярных линий, догадаться несложно. Физиологические эксперименты показали, мейсснеровы тельца чувствительны к низкочастотным колебаниям – в диапазоне от 2 до примерно 40 Гц. Высокочастотные колебания с частотой от примерно 80 Гц до 400 Гц – вотчина пачиниевых телец, максимум чувствительности которых приходится примерно на 250 Гц. При расстоянии между гребнями в 0,5 мм и типичной скоростью скольжения кончиков пальцев при прощупывании поверхности в 10–15 см в секунду характерная частота получается в районе 200–300 Гц. Так что, несмотря на прямую связь папиллярных линий с мейсснеровыми тельцами, за детектирование колебаний должны быть ответственны более глубокие пачиниевы тельца.

Однако все эти рассуждения о пальцах «на пальцах» – ещё не наука; по крайней мере, не биологическая. Да и не особо физическая: точно рассчитать, какие колебания возбуждают реальные шершавые поверхности при взаимодействии с папиллярными линиями, как они распространяются в коже и во что превращаются на глубине в 2 миллиметра, когда добираются до детектора, – задача очень сложная.

Четверо французских физиков из 6-го и 7-го университетов Парижа под руководством Жоржа Дебрежаса решили вместо сложных расчётов положиться на эксперимент. Их работа принята к публикации в Science.

Поскольку работать с живыми человеческими пальцами сложно, учёные создали «искусственный палец». Вместо пачиниевых тел они использовали микродатчик силы, слой кожи заменял двухмиллиметровый сегмент упругого материала, механические свойства которого были подобраны так, чтобы он максимально походил на дерму. Всё это было тщательно закреплено на специальном устройстве, которое позволяло измерять силу, с которой «палец» давит на шероховатую поверхность, пока его протаскивают вдоль неё с постоянной скоростью.

Дальше учёные провели две серии экспериментов. В первом случае поверхность «искусственного пальца» была гладкой, во втором её покрыли рядом симпатичных параллельных бороздок, в масштабе 1:2 изображающих собой папиллярные линии человеческого пальца. В качестве «исследуемой поверхности» выступала стеклянная пластинка, на которую были нанесены бороздки самой разной ширины – в том диапазоне неровностей, с которым приходится встречаться людям.

И доказали, что по мощности колебаний в нужном частотном диапазоне ребристая поверхность на два порядка превосходит гладкую.

А амплитуда этих колебаний, соответственно, примерно на порядок выше.

Иными словами, папиллярные линии на кончиках наших пальцев – это своего рода фильтры высокой частоты, настроенные на диапазон чувствительности пачиниевых рецепторов. При низких частотах и гладкая, и ребристая поверхность ведут себя одинаково.

Дебрежас и его коллеги также удостоверились, что действие этого «фильтра» ослабевает при рассогласовании взаимной ориентации полосок на «искусственном пальце» и на шероховатой поверхности. Поскольку в реальности мы имеем дело не с полосками, а с текстурами самых разнообразных форм, становится понятным, зачем папиллярные линии на наших пальцах завиты в такие разнообразные узоры.