颠覆认知!人的指纹,竟然暗藏这5个秘密

2020
12/28

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杨希川
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 正在看手机的你,有没有想过: 为什么我们的手指并没有很用力,就能牢牢地握住手机? 为什么手机屏幕和智能锁,手指一碰就可以解锁? 

本文授权转载自微信公众号:  腾讯医典(Dr_TXyidian)  

正在看手机的你,有没有想过:


为什么我们的手指并没有很用力,就能牢牢地握住手机?


为什么手机屏幕和智能锁,手指一碰就可以解锁?


这些都离不开一样人类身上进化已久、熟悉到快要被忽视的东西——指纹。


今天就来告诉你,关于指纹背后的奥秘。


 


指纹是我们皮肤的一部分,是真皮组织向表皮的突起[1]。而在指纹内部,还藏着许多汗腺。


 


我们知道,粗糙的表面能够增加摩擦力;但是如果接触面有液体,摩擦力就会减小、变得很滑。


那么,当我们拿东西时,指纹到底是怎么起作用的呢?


2020年11月30日,一篇发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上的研究[2]揭示了其中的秘密。


 

(来源:pnas.org)


来自英国和韩国的科学家们运用先进的光学成像、红外谱域光学相干断层扫描(IR-OCT)等技术,对“手指抓握玻璃杯”的过程进行了观察。


他们发现,当比较干燥的指尖碰到玻璃表面时,指纹里的汗腺就会分泌汗液,让皮肤表面充分水合


“水合”的意思,其实是“皮肤表层的角质细胞与水的结合”。简单说,就像海绵吸水的过程。


 

(来源:见水印)


经过汗液水合后的表层细胞会变得更加饱满,增加了皮肤和玻璃杯的接触面积和摩擦力,帮助我们更好地握住它。


 

(A~C:指纹按在光滑玻璃上的图像;D:指纹表皮内的螺旋形汗腺导管图像。

来源:文献[2]


当指尖和玻璃杯的接触面够大时,玻璃表面就会完全覆盖汗腺出口,阻挡汗液流出。


然后,汗腺的分泌随之减少,这样能防止过多的汗水使指尖打滑,避免玻璃杯稀碎“葬身”现场。


 


那天生爱出汗的人可怎么办?咱可是见过某些同学由于考试时太紧张,整张卷子湿了再干、被弄得皱皱巴巴的样子。


别急,科学家对于潮湿状态下的指尖也进行了分析。


当指纹间的汗液过多,这时“蒸发系统”就开始工作了。


借助指纹间凹槽留出来的空隙,汗水和空气接触面增大,就可以帮助水分快速蒸发,让指尖和玻璃表面的摩擦力处于最佳状态


 

(潮湿状态下,指纹中汗水在180秒内蒸发变干的过程。A:指纹接触面的光学图像;D:指纹凹槽内的水分变化横截面,来源:文献[2]


所以,当我们的手指接触到玻璃、金属这类质地坚硬又不容易透水的东西时,无论指尖是干还是湿,分泌系统和蒸发系统都会完美配合,确保我们能抓握物体、进行灵活的操作。


 

(手指接触玻璃时,指纹凹槽内汗液分布的模拟图。来源:文献[2],腾讯医典翻译)


说到这,你可能会联想到另一个现象——


当我们的手指和脚趾泡在水里,久了以后会起皱。


 


没错!有研究认为,这也是为了提高手脚在水中的抓地能力[15]


看完结论,终于知道为什么我们的手指能牢牢握住手机,而不用时时担心它掉地上碎屏了~


 


这项研究在仿生应用方面,也给人类带来了更多新的灵感。比如:


  • 设计出更加高效的触觉传感器(让我们更顺畅地刷触屏);

  • 利用指纹的抓握原理,制造更加逼真的假肢和机器人;

  • 研发更加灵敏的纺织品检测设备(妈妈再也不用担心我不会挑布料啦)。

 


好奇的你可能会想:


既然汗液会蒸发,那物品表面的指纹为什么还能留下痕迹、成为证据呢?



其实,手指分泌的汗液除了水分,还有少量的蛋白质、无机盐、油脂等。这些物质不仅会让汗液粘稠,也让灰尘和小颗粒容易附着。


所以,对于塑料、玻璃、金属、瓷砖等坚硬、不透水的物品,刑侦人员会用一些特殊的粉末(如色差明显的粉末或者铁粉)撒在表面,这样就可以提取指纹了。


对于质地较软或容易吸水的物品,又该怎么办?


这就需要根据物体本身的物理化学性质,让指纹现出原形。


比如在疑似有指纹的纸张上,用碘蒸气熏蒸,就可以看到变成棕色的指纹,这就是“碘蒸法”;与此类似的还有“硝酸银法”。


 

(织物表面的指纹提取。来源:上海纪实频道《真实第25小时:残缺的指纹》)


随着技术的发展,一些化学手段不易检测出的陈旧指纹,应用先进的光学仪器再辅助计算机识别手段,也可以让指纹“显形”[3]


 


“一斗穷,二斗富,三斗四斗卖豆腐,五斗六斗开当铺,七斗八斗把官做,九斗十斗享清福……”


小时候,你有没有听过这样的顺口溜,还挨个掰着手指头看指纹,找斗找簸箕的?请举手~


这里的斗和簸箕,还真有科学的分类标准!


在19世纪80年代,弗朗西斯·高尔顿爵士在自己的著作中首次提出了指纹分类法[4],他将指纹分为三大类:斗形纹,箕形纹和弧形纹,以及相应的亚型。随着指纹应用的增多,分类方法也各有不同。


 

箕形、斗形和弧形

(来源:文献[5]


有研究发现,人群中大概60~65%的人是箕形;30~35%的人是斗形;只有5%的人是弧形[10]


据此推测,带“斗”的人可能天生就比带“簸箕”的少。


那么,顺口溜里说的带“斗”越多越“命好“,也许只是物以稀为贵的心理预设罢了。相信这个说法的人,也会不自觉地向它归因、靠拢(跟“耳垂大有福气” ”找到四叶草有好运“类似)。


 


当我们还是胎儿时,在妈妈肚子里3个月左右,指纹就已经形成了[9]


指纹的基本纹路由基因决定,所以不同人的指纹也不相同。哪怕是同一个人,10个指头的指纹也是互不相同的。


那么,有一类特殊人群——同卵双生的双胞胎(二人由同一个受精卵分化而来),他们的基因一模一样,指纹还会不同吗?


答案是:也不相同。


 


研究发现[6],尽管同卵双胞胎指纹发育的起点一样,生长过程却不尽相同。


比如胎儿周围的羊水、胎儿在子宫内的姿势等,都会影响指纹的形成。所以“撞”指纹的情况是不会发生的!


 


在侦探小说里,经常有“犯罪分子用菠萝汁让指纹消失”的情节。这在现实中会发生吗?


的确,菠萝里的蛋白酶会降解蛋白质,“咬”我们的舌头,放在肉里也会让肉质变嫩。


但有人实测发现,频繁接触菠萝汁只会让指纹暂时不太明显,关键是手指还会脱皮、烧灼疼痛(碰到床单都痛,无疑增加了作案难度)!就算是切菠萝的工人,也要一直要戴手套。


 

(手指每天泡两次菠萝汁,8天后的变化。来源:视频博主Tom Scott[13]


早在1935年,就有专家研究过“将酸涂在手指上的指纹变化“,结果发现指纹并没有完全被破坏,周围的一圈照样能鉴别出来[14]


 

(20世纪初美国劫匪约翰·迪林杰经酸处理后的指纹。来源:文献[14],腾讯医典翻译)


要想真的消除指纹,起码要达到1毫米的深度、范围也要更大,不然都会长回原状。


不过,世界上还真有一类人无法通过指纹追查到——那就是皮纹病患者[11]


这是一种罕见病。他们生来就没有指纹,手指光溜溜的(办各种证件录指纹可是个大难题)。好在,这个病对身体健康没有特别大的影响。


神奇的是,他们拿东西时并不会“手滑”。因为手掌脚掌变厚了、而排汗能力略有下降,同样能产生跟常人差不多的抓握摩擦力。


另外,抗肿瘤的化疗药物“卡培他滨”也会导致指纹变浅、消失,停药2~4周后可恢复。


 

(一位57岁乳腺癌女患者使用卡培他滨后的大拇指。来源:文献[12]


小小指纹学问大,奇怪的知识又增加了。今天,你学废了吗?


 

特约作者:加加 | 澳门科技大学药理学博士


审稿专家:张洪涛(笔名一节生姜) | 美国宾夕法尼亚大学医学院病理及实验医药系研究副教授


参考文献

[1]Adamu L H, Taura M G. Embryogenesis and applications of fingerprints-a review[J]. International Journal of Human Anatomy, 2017, 1(1): 1.

[2]Yum S M, Baek I K, Hong D, et al. Fingerprint ridges allow primates to regulate grip[J]. Proceedings of the National Academy of Sciences, 2020.

[3]郭耀, 白雅飞. 试分析刑侦技术中指纹痕迹的检验[J]. 法制博览, 2015 (8): 89.

[4]Yager N, Amin A. Fingerprint classification: a review[J]. Pattern Analysis and Applications, 2004, 7(1): 77-93.

[5]Yohannes S, Bekele E. Ethiopian population dermatoglyphic study reveals linguistic stratification of diversity[J]. PloS one, 2015, 10(6): e0126897.

[6]Jain A K, Prabhakar S, Pankanti S. On the similarity of identical twin fingerprints[J]. Pattern Recognition, 2002, 35(11): 2653-2663.

[7]Mehta A A, Mehta A A. Study of fingerprint patterns in type II diabetes mellitus[J]. Int J Anat Res, 2015, 3(2): 1046-1048.

[8]Desai S D, Hadimani G A. Dermatoglyphics and Health[J]. Anatomica Karnataka, 2013, 7(1): 1-9.

[9]刘润东. 基于 Bresenham 算法的指纹 ab 嵴线数计算方法研究[D]. 云南大学, 2016.

[10]Wijerathne B T B, Rathnayake G K, Adikari S C, et al. Sexual dimorphism in digital dermatoglyphic traits among Sinhalese people in Sri Lanka[J]. Journal of physiological anthropology, 2013, 32(1): 27.

[11]https://www.nationalgeographic.com/news/2011/8/110809-fingerprints-skin-disease-health-science-weird/

[12]Cohen P R. Capecitabine-associated loss of fingerprints: report of Capecitabine-induced Adermatoglyphia in two women with breast cancer and review of acquired Dermatoglyphic absence in oncology patients treated with Capecitabine[J]. Cureus, 2017, 9(1).

[13]https://www.quora.com/Can-someone-really-erase-their-fingerprints-using-pineapple-juice

[14]Cummins H. Attempts to alter and obliterate finger-prints[J]. Am. Inst. Crim. L. & Criminology, 1934, 25: 982.

[15]Changizi M, Weber R, Kotecha R, et al. Are wet-induced wrinkled fingers primate rain treads?[J]. Brain, behavior and evolution, 2011, 77(4): 286-290.



 
 
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关键词:
指纹,汗腺,手指,接触

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