为什么我们有指纹?

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1910年,托马斯·詹宁斯(Thomas Jennings)逃离了谋杀现场,但他留下了一条线索,可以封印他的命运:在犯罪现场外的栏杆上,他的指纹在干燥的栏杆上留下了完美的印迹。詹宁斯的指纹是有史以来第一个被用作刑事调查证据的指纹,这使他在1911年因谋杀被定罪。

从那时起,指纹一直是法医调查的重要证据。这些独特的身份标记非常适合于打击犯罪任务,以至于这就是它们存在的原因。

但是,当然不是这样。这使我们想到了一个问题:为什么我们有指纹,它们有什么生物学目的?

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手指和摩擦

事实证明,科学家在历史上一直不同意这个答案。

“人们对指纹有两种想法:它们有助于改善抓地力,并且有助于改善触觉,”英国赫尔大学生物力学研究员兼生物学客座教授Roland Ennos说。

恩诺斯(Ennos)在他的职业生涯中一直在研究第一个想法-指纹使我们抓地力。长期以来,这一直是指导理论,即指纹的微小凹槽和峰顶在我们的手和触摸的表面之间产生摩擦。

一个支持这一理论的证据是,指尖可能像汽车上的橡胶轮胎一样工作,其柔软的性质使它们能够顺应行进的表面。在轮胎中,这种柔韧性与装饰其表面的槽状胎面相匹配,这会增大轮胎的表面积,因此也会增加摩擦力和牵引力。恩诺斯(Ennos)想调查一下这个想法在实验室实验中的效果如何。

恩诺斯(Ennos)说:“我们想看看手指的摩擦力是否会像轮胎中的接触面积一样上升。” 为了找到答案,研究人员将有机玻璃板拖过一个人的手指垫,在不同的尝试下改变其作用力,并使用指纹墨水确定有多少果肉区域正在接触玻璃。

令人惊讶的是,这些实验表明,“实际接触面积被指纹减少了,因为山谷没有接触,”恩诺斯说。换句话说,与覆盖身体其余部分的光滑皮肤相比,“指纹应该至少在光滑表面上减少摩擦”。

恩诺斯说,这并没有完全揭露指纹有助于握持的想法。人们认为,指纹可以帮助我们在潮湿的条件下抓握表面,例如,通道会像汽车轮胎上的胎面一样迅速吸水,以防止我们的手滑过表面。但是,这种想法更难检验,因为在这种情况下很难完美地模仿人类指纹的行为。

但是还有另一种理论可能会发挥更大作用:指纹在辅助触摸中的作用。

精湛的触感

几年前,巴黎索邦大学(Sorbonne University)由物理学家转变为生物学家的乔治斯·德布雷加斯在对触摸的潜在作用感到好奇时,正在思考关于为什么我们有指纹的结论性理论缺乏。我们的手指包含四种类型的机械感受器,即对机械刺激(如触摸)做出反应的细胞。乔治斯·德布雷加斯对一种特殊类型的机械感受器Pacinian小体特别好奇,这种机械感受器出现在指尖皮肤表面以下约0.08英寸(2毫米)的位置。乔治斯·德布雷加斯说:“我对Pacinian小球很感兴趣,因为从先前的实验中我们知道,这些特定的受体介导了对精细结构的感知。”

这些机械感受器对精确频率(200赫兹)的微小振动特别敏感,因此有助于使我们的指尖具有极高的灵敏度。乔治斯·德布雷加斯想知道指纹是否能增强这种敏感性。

为了找到答案,他和他的同事设计了一种仿生触觉传感器,一种类似于人手指结构的装置,其传感器可以检测振动,类似于Pacinian小球的振动方式。该设备的一个版本是光滑的,另一个版本的表面具有模仿人类指纹的脊纹图案。当在一个表面上移动时,脊状的表面产生了一个有趣的发现:传感器上的脊状结构放大了Pacinian小球非常敏感的确切振动频率。

该设备充当人类指尖的代理,暗示我们的指纹将类似地将这些精确的振动传递到皮肤下的传感器。。通过放大这些细腻而详细的感官信息,理论认为指纹因此使我们的触觉灵敏度提高了几倍。乔治斯·德布雷加斯说:“在皮肤上加上指纹的事实完全改变了信号的性质。”

但是,拥有如此敏感的指尖有什么好处?

几千年来,我们的双手一直是寻找和食用食物以及帮助我们环游世界的重要工具。这些任务是通过触摸来介导的。对纹理的敏感性尤其可能在进化上有益,因为它帮助我们检测出正确的食物:“我们需要检测并分离出纹理的原因是,我们要将好食物与坏食物分开,”乔治斯·德布雷加斯解释。良好的触感可以帮助我们避免物品腐烂或感染。

乔治斯·德布雷加斯补充说,黑猩猩和考拉等其他动物也存在着指纹和Pacinian小体的配对,这在某种程度上增加了想法的准确性,它们部分依靠触觉敏感性来帮助他们找到食物。

乔治斯·德布雷加斯强调,然而,他的实验并不能证明指纹为此目的而进化。但是,这是一个引人注目的优雅论文。他说:“似乎一切都匹配。”

松散的结局和新的问题

即使如此,乔治斯·德布雷加斯实际上认为指纹可能同时达到触摸和抓握的目的。他解释说:“我们之所以擅长操纵和处理事物,是因为我们具有精湛的触觉-在触觉和感觉之间存在不断的反馈循环。” 这“使我们能够实时校正将要抓住物体的力。”

例如,如果在握住某物时发生打滑,则需要能够用敏感的指尖检测到其表面的变化,以保持抓握力。因此乔治斯·德布雷加斯认为,我们的良好触感和精确抓地力实际上可能会共同发展

恩诺斯还在思考另一个可能的解释:他认为,指纹可以预防水泡。他说:“我赞成的最后一个想法是,脊线可以在某些方向上增强皮肤并帮助其抵抗水泡,同时仍然允许其以直角伸展,从而使皮肤保持接触。” “这有点像轮胎中的增强材料。”

对于恩诺斯(Ennos)来说,这许多可能性使他很感兴趣。

那么,这把我们留在哪里呢?看来,尽管为侦探和警察提供了无可辩驳的法医证据,但就目前而言,我们的指纹仍然是一个谜。

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