指紋：判別個人身分的特徵

By Charlton Sullivan 蘇柏安

簡介

在使用血液測試和DNA分析這些複雜方法之前，我們早已有一套簡單直接的方法來辨別身分，那就是我們經常在電影中看到或是通關會用到的指紋分析。指紋又稱為「皮嵴」（friction ridge skin），像我們的容貌一樣，它是我們獨一無二的特徵。可是你有想過為甚麼每個人的指紋都不同嗎？答案在於基因（尤其是控制四肢發育的基因）和環境間的相互作用，它們創造出能被分成三個類別的獨特皮紋圖樣（dermatoglyphic patterns）：弧紋（arch）、箕紋（loop）和斗紋（whorl）（圖一）。

 

圖一  指紋的三個類別：弧紋、箕紋和斗紋

 

指紋的形成

科學界對指紋形成有著不同理論，但皮膚學家傾向相信摺疊假說 [1]。皮膚組織由緊密連接的三層垂直結構組成，分別是表皮、基底層和真皮。頂層的表皮和底層的真皮細胞生長速度的差別在快速生長的基底層構成張力，使其在不同位置摺疊以釋放張力（圖二）[2, 3]。細胞繼續在摺疊的地方增生的同時，不同拱起的摺疊會頗為隨機地集結成群，形成一條條皮嵴，產生指紋中獨特的皺褶圖案（圖三）[2]。

 

圖二  摺疊假說的示意圖 [3]

 

圖三  細胞增生中心聚集而形成皮嵴的過程 [2]

 

已知掌墊（volar pads）會影響指紋的圖案。掌墊是胚胎發育（學術上稱為「胚胎發生」（embryogenesis））期間在包括指尖在內的手掌特定位置暫時形成的凸起組織（圖四）。與皮嵴形成的時間吻合，這些結構會在第十週縮小 [1]，對皮膚產生額外的機械應力，從而影響皮嵴形成的方向 [1]。科學家普遍同意掌墊的高度和大小會影響指紋的樣式 [2, 4]：斗紋通常會在高掌墊上形成，低掌墊會產生弧紋，而中高掌墊則會形成箕紋。

 

圖四  淺灰色部分為胚胎發育期間手掌上的掌墊

 

那麼，遺傳因素又怎樣影響指紋呢？科學家已證明掌墊的形狀和大小受基因控制 [1]，例如負責四肢和指頭生長的肢體發育基因EVI1已知會在掌墊下表達，科學家猜想EVI1會透過其促進細胞增生的功能影響掌墊的形狀和大小，就像刺激發育中的肢體藉細胞分裂向外延長一樣 [4]。這提供了一些啟示解釋為甚麼指紋樣式會與肢體相關表現型有所關聯 [4]：研究人員發現兩隻尾指皆為斗紋的人，通常比兩隻尾指皆非斗紋的人擁有更長的尾指，而雙手指頭（除姆指外）擁有斗紋的數目亦被發現與尾指的長度有關 [4]。

 

例外：沒有指紋的家族

我們早已習慣把指紋技術用於確定身分。指紋是現今社會身分認證的重要一環，在手機和出入境上的應用最為人熟知。可是，在孟加拉的Apu Sarker一家卻因罕見的SMARCAD1基因突變導致沒有指紋，這種狀況稱為皮紋病（Adermatoglyphia），又被戲稱為「入境阻延症」（Delayed Immigration Disease）[5]。不幸中之大幸是基因突變沒有帶來嚴重的病痛，但他們一家卻在生活上遇到重重困難，因為指紋早已成為取得駕駛執照、電話卡和護照時必須提交的資訊，故此他們並不能取得駕駛執照和購買電話卡。Apu在十歲申領的身分證上被標註為「沒有指紋」，因為政府官員對如何發出一張不能認證身分的身分證毫無頭緒。然而隨著虹膜掃描及人面識別等更多現代技術的出現，我們可以寄望不久將來這些受基因問題困擾的人不會再受到社會中無意的不公平對待。

 

知多一點點：同卵雙生兒有相同的指紋嗎？

你有想過究竟同卵雙生兒會有相同的指紋嗎？雖然他們的外貌非常相似，也有著相同的DNA序列，但是他們指紋的微細分別還是足以被現今的辨識軟件區分 [6]。除了指紋形成過程中的隨機性，原來在第13至19週臍帶長度、子宮位置、血壓、營養攝取和手指生長速度上的微細分別還是會影響到指紋的形成 [6]！這反映了基因以外環境因素如何在決定指紋樣式上發揮重要作用。

 

結語

指紋是能夠判別我們身分的身體特徵。從胚胎發生過程產生、獨一無二的指紋圖樣由懷孕第19週 [3] 到生命終結之時都從不改變；它的形成受基因和多變的環境因素影響，最終發展成獨有形態，創造出這個能辨認我們身分的重要特徵。

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參考資料：

[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/