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Jirafas vs. Ballenas azules vs. Dinosaurios: el concurso revela cuál construye su sistema nervioso más rápido para evadir a los depredadores

A lo largo de la evolución, una inmensa megafauna ha vagado por las tierras o nadado en los mares. El crecimiento de estas criaturas al principio de su vida suele ser bastante rápido. Tiene que ser. Necesitan crecer rápido o ser comidos. Amplios estudios sobre megafauna han abordado los desafíos únicos de apoyando y moviendo cuerpos tan masivos. Pero el obstáculo más grande y en gran parte ignorado para el crecimiento extremo de la megafauna tanto terrestre como acuática puede implicar el rápido desarrollo de su sistema nervioso.

A diferencia de todos los demás tipos de células, las neuronas no aumentan el volumen del tejido mediante la división celular, sino mediante la expansión del volumen de las propias células. Al principio del desarrollo, las neuronas brotan fibras nerviosas, o axones, que se extienden desde su cuerpo celular, que alberga el núcleo y otras estructuras, mediante el uso de señales químicas y físicas para navegar y crecer lentamente hacia las células objetivo, generalmente a no más de unos pocos milímetros de distancia. . Una vez que se alcanza el objetivo, esta primera fase bien estudiada del crecimiento del axón culmina con la formación de una unión con otra neurona, conocida como sinapsis.

Pero el crecimiento y elongación de los axones no se detiene ahí. Continúa confiando únicamente en las fuerzas mecánicas que pueden extender las fibras a velocidades aparentemente imposibles. Esta segunda fase poco estudiada, llamada «crecimiento de estiramiento», continúa a medida que aumenta la distancia entre los cuerpos de las células neuronales y sus objetivos.

A medida que una criatura crece, los axones se involucran en un concurso de tira y afloja. La tensión de tirar de los axones en forma de cuerda amenaza con romper las fibras porque solo se estiran hasta cierto punto. La tirantez se alivia con el crecimiento de estiramiento que agrega continuamente longitud a los axones. El estiramiento mecánico de los axones a medida que crece un cuerpo es omnipresente en toda la naturaleza y se cree que impulsa la formación y organización de los tractos de axones que forman la materia blanca en el cerebro y la médula espinal y los nervios periféricos fuera del cerebro. El crecimiento de las vértebras durante el desarrollo estimula el crecimiento de los axones en la médula espinal. Los axones de los nervios periféricos se extienden a lo largo de los huesos largos en crecimiento y otras estructuras rígidas. Aún así, quedan muchos misterios sobre este proceso, y aún no se ha resuelto qué tan rápido y cuánto se estiran los axones en la megafauna terrestre y acuática.

Unos pocos centímetros al día

Un ejemplo obvio de crecimiento masivo es la ballena azul, que puede alcanzar longitudes colosales de hasta 30 metros en la madurez. Usando mediciones registradas de la longitud del cuerpo de la ballena en diferentes momentos durante el desarrollo, calculamos previamente la tasa máxima de crecimiento de estiramiento de los axones que se extienden por la médula espinal. como un asombroso 3,4 centímetros por día. Esta tasa contrasta marcadamente con las descritas en los libros de texto de neurociencia. De hecho, un bloque de construcción crucial del axón llamado proteína de neurofilamento se mueve por estas fibras nerviosas solo hasta unos pocos milímetros cada día. Esto coincide aproximadamente con el tasas de extensión de los axones que brotan en cultivo y regenerarse a partir de una lesión, los cuales se suman al volumen celular en los extremos de los axones que se extienden.

Incluso a esta velocidad, las proteínas tardarían años en completar el viaje por los axones más largos en las ballenas maduras. Sin embargo, análisis de modelos computacionales recientes sugieren que las nuevas proteínas para el crecimiento del estiramiento del axón se extruyen, o se expulsan, del cuerpo de la célula neuronal para que no tengan que hacer el viaje cada vez más largo hasta el final de la célula para extender el axón. longitud.

Incluso aquí, el ritmo de construcción del axón en la ballena azul parece imposible de mantener. De hecho, se calcula que cada aumento de 3 cm en la longitud del axón agregar más del doble del volumen del cuerpo de la célula neuronal al axón cada día.

Sorprendentemente, este aumento de tamaño rivaliza con el tasa máxima de crecimiento de células cancerosas agresivas que se duplican en número cada día. En la ballena azul, este proceso alcanza proporciones asombrosas: los axones de la médula espinal pueden extenderse 24 metros de longitud desde el tronco encefálico hasta la cola. Aunque los axones tienen un diámetro bastante delgado, una extensión tan larga finalmente da como resultado que su volumen sea más de 1000 veces mayor que el de sus cuerpos celulares. Esta extraña geometría de neuronas con axones muy largos representa potencialmente una de las células más grandes por volumen para cualquier mamífero. Para el mantenimiento celular de rutina, es difícil imaginar cómo el cuerpo de la célula neuronal puede proporcionar suficientes proteínas y otros suministros celulares para un volumen de axones tan grande que se extiende tan lejos del cuerpo celular. Se ha sugerido que la síntesis de proteínas podría ocurrir a lo largo de los propios axones para superar los desafíos en la producción y distribución, pero todavía tenemos mucho que aprender sobre este proceso celular inusual.

Introduzca los dinosaurios

A pesar de los muchos misterios de sus mecanismos, el crecimiento extremo del estiramiento del axón obviamente funciona bien para la inmensa ballena azul. Sin embargo, aunque el crecimiento de axones de 3,4 cm por día es impresionante, la ballena azul tiene una fuerte competencia con otra megafauna. Ingrese un dinosaurio conocido como saurópodo, que en particular se cree que tuvo altas tasas de crecimiento en los primeros años después de la eclosión para evitar la depredación. Sin embargo, a diferencia de la extensa documentación de la ballena azul, existe poca evidencia fósil para ayudar a calcular cómo crecieron los dinosaurios más grandes. Las pistas fósiles limitadas de dinosaurios relativamente grandes pero no los más masivos permiten una estimación aproximada de las tasas de crecimiento corporal, incluidos fósiles relativamente completos del dinosaurio con pico de pato. Maiasaura en diferentes etapas de desarrollo. Las mediciones muestran que creció de una longitud de cría de 0,5 m a poco más de la mitad de su longitud adulta de 7 m en su primer año de vida. Eso es alrededor de 3,6 m en el primer año, o alrededor de 1 cm por día.

Durante este tiempo, sabemos que Maiasaura tenía líneas de crecimiento detenido en sus huesos, lo que indica que alcanzó esos 3,6 m en los primeros siete a nueve meses. De ser así, su tasa de crecimiento diario habría sido de aproximadamente 1,33 a 1,71 cm cada día. Suponiendo que sus axones espinales también crecieran a la misma velocidad, eso está muy por debajo de la tasa máxima de crecimiento axonal de la ballena azul.

¡Pero espera! Quizás el descubrimiento reciente de un saurópodo juvenil, Rapetosaurio krausei, vuelve a poner a los dinosaurios en la competencia. Este nuevo hallazgo proporciona el eslabón perdido entre las crías previamente estudiadas y los especímenes adultos de 15 metros de largo de esta especie. Comparación de las diferencias en las longitudes del fémur entre una cría y un juvenil rapetosaurio, se estima que el crecimiento extrapolado de la longitud corporal es de hasta 2,7 cm por día durante los primeros meses de vida. En particular, este lapso de tiempo parece ser anterior al primer período de crecimiento detenido del animal. Como tal, la tasa de crecimiento promedio para los axones de la médula espinal que iguala el crecimiento del cuerpo a 2,7 cm por día es competitiva pero aún menor que la de la ballena azul, lo que deja a la Rapetosaurio en un cercano segundo lugar.

Pasar de examinar el crecimiento de la longitud del cuerpo completo a centrarse en el crecimiento del axón en un cuello que se extiende rápidamente podría traer a un nuevo jugador mamífero a la competencia. Las jirafas prenatales tienen un cuello relativamente corto, que se cree que las protege de lesiones durante el parto. Sin embargo, a partir de entonces su cuello puede crecer hasta 2,5 cm cada día. Esto sugiere una tasa de crecimiento similar para los axones de la médula espinal cervical, que no alcanza a la ballena azul y Rapetosaurio tasa máxima de crecimiento del axón espinal. Aún así, un posible contratiempo evolutivo en la trayectoria de un nervio en el cuello puede ayudar a la jirafa a superar a la ballena azul en la carrera por el crecimiento de estiramiento de axón más extremo.

Siguiendo una dirección que tiene poco sentido anatómico, el nervio vago izquierdo de la jirafa sale del tronco encefálico y viaja por el cuello, donde se divide en el nervio laríngeo recurrente izquierdo. Eso, a su vez, pasa por debajo del arco aórtico, parte de la arteria grande que transporta sangre desde el corazón, y luego viaja de regreso por el cuello hasta las cuerdas vocales. Durante el desarrollo, los axones del nervio vago izquierdo y laríngeo recurrente del animal debe crecer aproximadamente el doble de rápido que su cuello. Esto lleva la tasa de crecimiento de estos axones a aproximadamente 5 cm cada día. Así que la jirafa parece tomar la iniciativa de la ballena azul.

El ganador es …

Espera, el Rapetosaurio también tenía un cuello largo, que se cree que tenía la misma extraña distribución anatómica del nervio laríngeo recurrente que el cuello de la jirafa, lo que trajo de nuevo al saurópodo a la competencia. Pero con RapetosaurioEl cuello representa solo alrededor de la mitad de la longitud de su cuerpo, incluso si duplicamos la tasa de crecimiento del nervio laríngeo recurrente, volvemos a aproximadamente 2,7 cm por día. Entonces, en el tramo final, el ganador es la jirafa, ¡por un cuello! Al menos ese es el caso por ahora. Otras especies de saurópodos eran mucho más grandes que rapetosaurio, y si se desarrollaron a lo largo de la misma línea de tiempo, Es posible que se hayan producido tasas de crecimiento de axones mucho más espectaculares. Esa tentadora posibilidad solo puede ser explorada por futuras investigaciones sobre las tasas de crecimiento de los dinosaurios más grandes.

Los seres humanos también pueden entrar pronto en la competencia por el crecimiento de estiramiento de axón más extremo. No, no haciendo que las personas crezcan rápidamente cuellos y cuerpos de gran tamaño, sino empujando los límites del crecimiento de axones en el laboratorio. De hecho, ya se ha logrado un crecimiento de estiramiento de axón extremo de 1 cm por día en un plato de laboratorio utilizando biorreactores que imitan la naturaleza al tractos axónicos mecánicamente alargados que abarcan dos poblaciones de neuronas. Se cree que son posibles tasas de crecimiento mucho más rápidas a medida que se revelan experimentalmente los mecanismos de esta misteriosa forma de crecimiento del axón. Con este trabajo experimental prometedor, así como la comprensión emergente del desarrollo rápido del sistema nervioso en otras especies, la competencia está lejos de terminar.

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