Por que temos impressões digitais [dermatóglifos]?

- Atualizado no dia 1 de março de 2023 -

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As impressões digitais (!) representam padrões de sulcos e elevações nos dedos e outras partes da palma das mãos e dos pés humanos (papilas epidérmicas), os quais desenham marcas na pele que são únicas para cada indivíduo da nossa espécie (Homo sapiens). Na área forense, o estudo das impressões digitais é de extrema importância, e vários crimes já foram solucionados através da análise desses padrões tópicos deixados impressos no local do crime. Além disso, vários sistemas modernos de registro usam as impressões digitais como identificação pessoal para finalidades diversas, como no bloqueio/desbloqueio de tela dos smartphones. Mas por que temos as papilas das impressões digitais nos dedos? Será que elas são ou foram relevantes para a sobrevivência dos humanos?

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(!) O termo "digitais" vem do Latim digitus (e derivado digitalis), que por sua vez significa "dedos" (Ref.4).

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DESENVOLVIMENTO DOS PADRÕES

A pele nas solas dos pés e na palma das mãos de humanos é coberta com finos sulcos paralelos chamados de dermatóglifos. Nos dois terços proximais dos dedos, os dermatóglifos são arranjados como sulcos aproximadamente transversais, mas formam padrões de "impressões digitais" mais complexos nas pontas distais. Esse padrão é estabelecido antes do nascimento e mantido ao longo da vida, sendo usado para identificação individual desde a antiguidade (1) e para o diagnóstico de um número de condições congênitas. Os tipos mais comuns de padrão de impressões digitais são conhecidos como arco, presilha e verticilo (Fig.1). Arcos são a configuração mais simples, presilha se estende até um lado do dedo, e verticilo possui um padrão concêntrico de sulcos no núcleo. Trirrádios são formações em formato de Y nas quais os sulcos convergem em três diferentes ângulos (Fig.2)

Figura 1. Tipos gerais [comuns] de impressões digitais. Curiosamente, esses três tipos gerais são também encontrados nos coalas.

Figura 4. Os três tipos gerais de dermatóglifos, apontando também regiões de dobras (Cr.) e trirrádios (Tr.). Headon et al., 2023

Dermatóglifos são únicos da pele volar (solas e palmas) em humanos. O resto do corpo carrega folículos capilares, os quais são expressos durante o desenvolvimento embrionário como placodes epiteliais circulares sob influência de genes EDAR e WNT. O padrão humano de impressões digitais é definido pelo arranjo de sulcos epiteliais primários, os quais se formam aproximadamente na 13° semana gestacional sobre elevações do tecido volar na ponta dos dedos. Ao longo das semanas seguintes, sulcos primários se formam no resto da pele volar e, pela 16° semana, glândulas de suor emergem das partes mais profundas dos sulcos. Formação de sulcos primários é completada pela 17° semana, e sulcos secundários menores então começam a aparecer entre eles. A superfície da pele se torna periodicamente elevada acima dos locais nos sulcos primários, com cada enrrugamento superficial carregando uma fileira de poros de glândulas de suor ao longo do seu pico.

Nesse contexto, a "seleção" de padrões definindo arcos, presilhas ou verticilos ocorre pela 15° semana gestacional. Essa seleção é influenciada por genes que operam cedo no desenvolvimento de membros, exercendo efeitos indiretos à medida que os dedos vão se desenvolvendo. Um estudo publicado recentemente na Cell (Ref.15) mostrou que o tipo de padrão de impressão digital é estabelecido através de um sistema Turing de difusão-reação operando em várias ondas de propagação e engatilhado em locais distintos de iniciação (Fig.3). As confluências dessas ondas iniciadas nesses locais variáveis, junto com a aleatoriedade dos sistemas de Turing (!), acabam resultando nos padrões individuais únicos de cada pessoa. Esse processo explica também porque mesmo gêmeos monozigóticos possuem padrões de impressão digitais distintos entre si (2).

Figura 3. Durante o desenvolvimento dos dermatóglifos, dois genes antagonísticos entre si (WNT e BMP) são expressos de forma alternada nas células das pontas dos dedos, criando os típicos padrões de elevações e depressões - e o espaçamento entre os picos. Um terceiro fator, gene EDAR, é expresso junto com o WNT nos sulcos em desenvolvimento, completando o processo de formação dos sulcos primários. A forma geral dos sulcos (arco, presilha ou verticilo) dependerá da anatomia dos dedos e tempo exato de formação dos sulcos partindo de diferentes locais do dedo. O sistema de Turing - no qual atividades químicas distintas e sobrepostas resultam em complexos padrões aleatórios - acaba gerando impressões digitais únicas para cada indivíduo. Headon et al., 2023

(!) Para mais informações: Filtros de alta eficiência e as visionárias estruturas de Turing

Nos tecidos embrionários fetais, os sulcos primários começam a se formar em até três localizações: centro do dedo, final do dedo sob a unha, e a quina da articulação onde o dedo dobra. A partir desses três locais, os sulcos se espalham através do dedo como "ondas", com cada sulco servindo para definir a posição do próximo. A anatomia do dedo ajuda a direcionar o padrão de crescimento celular. Se as almofadas são grandes e simétricas e os sulcos começam a se formar lá cedo, estes tendem a produzir um verticilo. Se as almofadas são mais longas e assimétricas, a tendência é uma presilha. Se os sulcos simplesmente falham em se formar sobre as almofadas, ou se começam a se formar lá de forma tardia, então os sulcos das bordas e unhas irão se encontrar no meio, produzindo um arco.

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(1) VOCÊ SABIA? Os Chineses representam a primeira cultura conhecida a usarem as impressões digitais como um meio de identificação. O mais antigo exemplo vem de um documento Chinês titulado "O Volume da Investigação de uma Cena de Crime - Roubo", da Dinastia Qin (221 a 206 a.C). O documento contém a descrição de como as impressões digitais das mãos podem ser usadas como um tipo de evidência. Durante a Dinastia Qin até as Dinastias Orientais Han (221 a.C. até 220 d.C.), o mais prevalente exemplo de individualização usando as impressões digitais era visto nos selos de barro. Documentos consistindo de tiras de bambu eram enroladas com cordas e estas seladas com barro. Em um lado do selo de barro era impresso o nome do autor, e, do outro lado, sua impressão digital, visando reforçar o direito de autoria. Após a invenção do papel pelos Chineses, em torno de 105 d.C., a assinatura de documentos com impressões digitais se tornou uma prática comum na China. No Ocidente, o interesse observacional e científico pelas impressões digitais começou apenas nos séculos XVII e XVIII, através de cientistas Europeus, como o Dr. Nehemiah Grew em trabalhos publicados na década de 1680. Para quem estiver interessado em uma discussão mais ampla sobre o uso das impressões digitais ao longo da história humana, acesse a Ref.12.

> Na investigação forense, caso um banco de dados esteja disponível para comparar as impressões digitais, é possível recuperar as marcas deixadas para trás nos objetos manuseados ou tocados pelos criminosos, já que substâncias e lipídios expelidos pelas glândulas sudoríparas e pele em geral acabam servindo de "tinta" e deixam o formato das impressões digitais nas superfícies após o contato, especialmente em superfícies metálicas, vidros e madeira polida.

(2) O que tende a ser determinado geneticamente (hereditário) são os padrões gerais das impressões digitais (arco, forquilha, etc., e seus subtipos). Relevante também mencionar que gêmeos monozigóticos possuem pequenas diferenças genéticas entre si. Sugestão de leitura: Gêmeos monozigóticos não são geneticamente idênticos como assumido

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HIPÓTESES EVOLUTIVAS

Não apenas humanos, mas também diversos outros primatas possuem dermatóglifos. Além de auxiliar a solução de crimes e desbloquear o smartphone, as impressões digitais nos dedos podem representar fenotípicos adaptativos selecionados ao longo do processo evolucionário.

No campo da ciência evolutiva, existem algumas hipóteses que buscam explicar a necessidade de dermatóglifos nos primatas, mas ainda hoje os pesquisadores não chegaram a um consenso - apesar do problema ter sido potencialmente solucionado com um estudo mais recente (!). Aliás, não só primatas, mas coalas (Phascolarctos cinereus) escaladores de árvores também possuem padrões similares a impressões digitais nos dedos. E não só nos dedos: alguns macacos aqui na América-do-Sul também possuem esses padrões nas suas caudas, as quais são usadas para a pegada em galhos.

Nesse sentido, uma das ideias mais defendidas - e que persiste por mais de 100 anos - afirma que os dermatóglifos servem para proporcionar maior atrito de pegada em superfícies mais lisas ou escorregadias, ou seja, garantem uma pegada mais firme e segura nos objetos sendo manipulados. Assim como as estrias de um pneu de carro, essas marcas nos nossos dedos forneceriam um atrito extra. Outros primatas, como os chimpanzés (gênero Pan), seriam particularmente beneficiados com esse atrito extra, por dependerem de uma excelente pegada para suas acrobacias nas árvores, sendo o mesmo válido para os nossos ancestrais das florestas (arborícolas). Essa hipótese engloba também os dedos dos pés ("anti-derrapagem"), os quais também possuem os relevos epidérmicos dos dermatóglifos e são usados extensivamente pelos primatas arborícolas como pegada para movimentação entre os galhos das árvores - apesar de uma função anti-derrapagem ser essencial também para os hominídeos bípedes, como o H. sapiens.

Apesar de bem tentadora, estudos nos últimos anos têm sugerido que a 'hipótese do atrito' é limitada, porque nossa mão parece ter um aspecto de atrito típico de uma borracha, ou seja, quanto maior a área de contato, maior o atrito em superfícies lisas (Ref.2). E como os sulcos das impressões digitais diminuem a área de contato direto da mão, isso acaba sendo meio contraditório com a ideia proposta pela hipótese. Talvez para superfície mais ásperas e rugosas - como as cascas de árvores - os dermatóglifos possam fazer uma real diferença, onde os sulcos/relevos das papilas poderiam interagir mais intensamente com esse tipo de irregularidade, proporcionando maior firmeza de pegada. Essa última hipótese, de fato, traz um mecanismo favorecendo os primatas arborícolas nas florestas. Nesse cenário, os hominídeos bípedes apenas teriam herdado esse fenótipo, com este persistindo por não causar prejuízos em termos de adaptabilidade.

Seguindo a linha de raciocínio anterior, as impressões digitais podem também ajudar a 'drenar' a água que fica acumulada na superfície dos nosso dedos, facilitando a pegada em ambientes molhados. Com a água escorrendo para esses sulcos, a superfície dos dedos acabaria ficando menos molhada e o atrito de contato aumentaria. Nesse sentido, as impressões digitais representariam, talvez, uma ajuda extra para outra interessante adaptação das nossas mãos: o enrugamento nos dedos molhados. Esse tema foi discutido em mais detalhes no artigo Por que os nossos dedos ficam enrugados na água?

Outra interessante hipótese defende que os dermatóglifos serviriam para auxiliar as nossas sensações de toque. Um estudo de 2009, publicado na Science (Ref.3), mostrou que a presença dos relevos das impressões digitais nas mãos são como amplificadores das vibrações sentidas nessas regiões quando interagem com uma superfície, aumentando a sensibilidade do sinal sendo passado para os nervos sensitivos. Assim, a textura e forma dos objetos seriam melhor percebidas pela presença dos dermatóglifos, algo extremamente importante para uma melhor exploração do ambiente ao nosso redor e, portanto, uma ferramenta a mais de sobrevivência.

Mas, aí, vem outra pergunta de contexto evolutivo: por que as papilas das impressões digitais possuem padrões circulares, e tão bem alinhados em suas curvaturas? Os cientistas ainda não têm uma resposta segura para isso, mas pode ser que para manter o atrito/interação o máximo possível, para aumentar a sensibilidade do toque, ou para melhorar a pegada, os relevos circulares fariam com que qualquer sentido (direcional) de toque em uma superfície não se alinhasse com os sulcos das impressões digitais. Assim, evitar-se-ia que as irregularidades da superfície tocada deslizassem por dentro dos sulcos sem encontrar muitas barreiras de atrito (relevos). Esses padrões podem também permitir que a pele estique e deforme mais facilmente, protegendo-a de danos. Ou a resposta pode ser mais simples: apenas um capricho fenotípico emergido ao acaso durante nossa evolução, importando apenas sua funcionalidade principal (sentido de toque, atrito, proteção epidérmica e/ou melhor pegada).

Não importaria a direção na passagem dos dedos , a superfície sempre esbarraria de frente com a "parede" dos relevos; nesse sentido, as impressões digitais do tipo 'arco' (primeira à esquerda) seriam os piores tipos para a ação.

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(!) SUOR E ATRITO: FINALMENTE UMA RESPOSTA?

As hipóteses relacionando os sulcos das impressões digitais e fricção são as que carregam naturalmente maior peso de evidências. Pegada - com os pés e, principalmente, com as mãos - é algo central para várias das nossas atividades e de outros primatas, incluindo o uso de ferramentas diversas, escalada de árvores, e manipulação precisa de objetos em geral. No entanto, como já explorado, existem limitações nas propostas tradicionais associadas a essas hipóteses.

Nesse sentido, um estudo recentemente publicado no periódico PNAS (Ref.14) resolveu explorar mais a fundo essas hipóteses, adicionando um novo elemento: suor, este o qual tem demonstrado melhorar a pegada em experimentos com animais não-primatas. Sem aparente motivo, a palma das mãos e dos pés trazem uma alta quantidade de glândulas sudoríparas (>300/cm²) - 25% do total apesar dessas regiões representarem cerca de 5% da área de pele no corpo - e, diferente de outras regiões da pele, as glândulas sudoríparas localizadas abaixo dos sulcos respondem a estados emocionais e ansiedade, ou seja, uma resposta "lute ou fuja" (!).

(!) Leitura recomendada: 'Luta ou Fuga' não é disparado pela adrenalina, mas pelo seu osso

No estudo, os pesquisadores usaram técnicas de medição baseadas em ondas eletromagnéticas com frequências no megahertz (MHz), terahertz (THz), infravermelho (IV) e espectro visível para caracterizar e acompanhar visualmente a evolução temporal da umidade nos sulcos associados às impressões digitais durante a interação (pegada) da palma da mão com a superfície de um vidro transparente.

Os resultados dos experimentos confirmaram que existe um mecanismo de regulação até o momento não descrito visando otimizar a pegada com a palma das mãos - e provavelmente o mesmo ocorrendo nos pés. Primeiro, os sulcos dos dermatóglifos agem como arranjos de canais microfluídicos que promovem a evaporação de umidade excessiva enquanto permite a retenção de um certo nível de umidade, hidratando a estrutura de queratina da pele. Segundo, na presença de umidade, as almofadas dos sulcos se tornam macias e conformadas com a superfície de pegada, portanto bloqueando as glândulas sudoríparas e evitando um excesso de suor que poderia diminuir criticamente o atrito através da formação de uma camada fluída de lubrificação hidrodinâmica. A hidratação ideal gerada por esse mecanismo permite o alcance do valor máximo de fricção da pele, independentemente se a pele estava previamente seca ou molhada.

Inicialmente, os poros de suor estarão desbloqueados, mas à medida que os sulcos se tornam plasticizados um contato mais íntimo é formado, o qual corresponde a um aumento na fricção, até que exista uma cessação da secreção de suor e seja alcançado um nível de hidratação estável e fricção otimizada.

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Apesar do estudo ter demonstrado o mecanismo de otimização de pegada em uma superfície de vidro, os autores acreditam que o mesmo mecanismo pode ser aplicado para outras superfícies naturais (pedra, madeira, etc.) topograficamente mais irregulares, caso a taxa de absorção de umidade seja menor do que a acumulação de umidade. E até que outro trabalho refute os achados, esse é provavelmente o motivo evolucionário da existência de dermatóglifos nos dedos. A alta quantidade de glândulas sudoríparas e sulcos epidérmicos nas palmas das mãos e dos pés, portanto, forneceram aos primatas e coalas arborícolas vantagem evolucionária em condições secas e úmidas de habilidades manipulativas e locomotivas não disponíveis para outros animais. Em momentos tensos - caça, perseguição, acidentes, etc. - a produção de suor nas mãos é aumentada, garantindo umidade extra para reforçar as pegadas.

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CURIOSIDADE: Por causa de uma condição genética conhecida como adematoglifia, pessoas podem nascer sem impressões digitais! Muito rara, ela pode gerar grandes transtornos para o indivíduo, já que grande parte dos processos de identificação pessoal hoje confiam no sistema de impressão digital. Certos medicamentos na quimioterapia para tratar cânceres também podem fazer com que as impressões digitais desapareçam.