指纹：判别个人身分的特征


简介

在使用血液测试和DNA分析这些复杂方法之前，我们早已有一套简单直接的方法来辨别身分，那就是我们经常在电影中看到或是通关会用到的指纹分析。指纹又称为「皮嵴」（friction ridge skin），像我们的容貌一样，它是我们独一无二的特征。可是你有想过为甚么每个人的指纹都不同吗？答案在于基因（尤其是控制四肢发育的基因）和环境间的相互作用，它们创造出能被分成三个类别的独特皮纹图样（dermatoglyphic patterns）：弧纹（arch）、箕纹（loop）和斗纹（whorl）（图一）。


图一：指纹的三个类别：弧纹、箕纹和斗纹

指纹的形成

科学界对指纹形成有著不同理论，但皮肤学家倾向相信折叠假说 [1]。皮肤组织由紧密连接的三层垂直结构组成，分别是表皮、基底层和真皮。顶层的表皮和底层的真皮细胞生长速度的差别在快速生长的基底层构成张力，使其在不同位置折叠以释放张力（图二）[2, 3]。细胞继续在折叠的地方增生的同时，不同拱起的折叠会颇为随机地集结成群，形成一条条皮嵴，产生指纹中独特的皱褶图案（图三）[2]。


图二：折叠假说的示意图 [3]


图三：细胞增生中心聚集而形成皮嵴的过程 [2]

已知掌垫（volar pads）会影响指纹的图案。掌垫是胚胎发育（学术上称为「胚胎发生」（embryogenesis））期间在包括指尖在内的手掌特定位置暂时形成的凸起组织（图四）。与皮嵴形成的时间吻合，这些结构会在第十周缩小 [1]，对皮肤产生额外的机械应力，从而影响皮嵴形成的方向 [1]。科学家普遍同意掌垫的高度和大小会影响指纹的样式 [2, 4]：斗纹通常会在高掌垫上形成，低掌垫会产生弧纹，而中高掌垫则会形成箕纹。


图四：浅灰色部分为胚胎发育期间手掌上的掌垫

那么，遗传因素又怎样影响指纹呢？科学家已证明掌垫的形状和大小受基因控制 [1]，例如负责四肢和指头生长的肢体发育基因EVI1已知会在掌垫下表达，科学家猜想EVI1会透过其促进细胞增生的功能影响掌垫的形状和大小，就像刺激发育中的肢体藉细胞分裂向外延长一样 [4]。这提供了一些启示解释为甚么指纹样式会与肢体相关表现型有所关联 [4]：研究人员发现两只尾指皆为斗纹的人，通常比两只尾指皆非斗纹的人拥有更长的尾指，而双手指头（除姆指外）拥有斗纹的数目亦被发现与尾指的长度有关 [4]。

例外：没有指纹的家族

我们早已习惯把指纹技术用于确定身分。指纹是现今社会身分认证的重要一环，在手机和出入境上的应用最为人熟知。可是，在孟加拉的Apu Sarker一家却因罕见的SMARCAD1基因突变导致没有指纹，这种状况称为皮纹病（Adermatoglyphia），又被戏称为「入境阻延症」（Delayed Immigration Disease）[5]。不幸中之大幸是基因突变没有带来严重的病痛，但他们一家却在生活上遇到重重困难，因为指纹早已成为取得驾驶执照、电话卡和护照时必须提交的资讯，故此他们并不能取得驾驶执照和购买电话卡。Apu在十岁申领的身分证上被标注为「没有指纹」，因为政府官员对如何发出一张不能认证身分的身分证毫无头绪。然而随著虹膜扫描及人面识别等更多现代技术的出现，我们可以寄望不久将来这些受基因问题困扰的人不会再受到社会中无意的不公平对待。

知多一点点：同卵双生儿有相同的指纹吗？

你有想过究竟同卵双生儿会有相同的指纹吗？虽然他们的外貌非常相似，也有著相同的DNA序列，但是他们指纹的微细分别还是足以被现今的辨识软件区分 [6]。除了指纹形成过程中的随机性，原来在第13至19周脐带长度、子宫位置、血压、营养摄取和手指生长速度上的微细分别还是会影响到指纹的形成 [6]！这反映了基因以外环境因素如何在决定指纹样式上发挥重要作用。

结语

指纹是能够判别我们身分的身体特征。从胚胎发生过程产生、独一无二的指纹图样由怀孕第19周 [3] 到生命终结之时都从不改变；它的形成受基因和多变的环境因素影响，最终发展成独有形态，创造出这个能辨认我们身分的重要特征。

参考资料：


  1. Kücken, M. (2007). Models for fingerprint pattern formation. Forensic Science International, 171(2-3), 85–96. https://doi.org/10.1016/j.forsciint.2007.02.025
  2. Wertheim, K. (2011). Embryology and Morphology of Friction Ridge Skin. In A. McRoberts (Ed.), Fingerprint Sourcebook (pp. 3-1–3-26). National Institute of Justice. https://www.ojp.gov/pdffiles1/nij/225323.pdf
  3. Garzón-Alvarado, D. A., & Ramírez Martinez, A. M. (2011). A biochemical hypothesis on the formation of fingerprints using a turing patterns approach. Theoretical Biology and Medical Modelling, 8, 24. https://doi.org/10.1186/1742-4682-8-24
  4. Li, J., Glover, J. D., Zhang, H., Peng, M., Tan, J., Mallick, C. B., Hou, D., Yang, Y., Wu, S., Liu, Y., Peng, Q., Zheng, S. C., Crosse, E. I., Medvinsky, A., Anderson, R. A., Brown, H., Yuan, Z., Zhou, S., Xu, Y., . . . Wang, S. (2022). Limb development genes underlie variation in human fingerprint patterns. Cell, 185(1), 95–112. https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.12.008
  5. Sabbir, M. (2020, December 26). The family with no fingerprints. BBC News. https://www.bbc.com/news/world-asia-55301200
  6. Asher, C. (2021, September 18). Why do identical twins have different fingerprints? BBC Science Focus Magazine. https://www.sciencefocus.com/the-human-body/why-do-identical-twins-have-different-fingerprints-2/

作者:：苏柏安 香港科技大学《科言》学生编辑
设计：林晓薏 香港科技大学《科言》学生设计师
翻译：刘劭行 香港科技大学《科言》总编辑

2023年12月