在进化过程中，巨大的巨型动物曾在陆地上漫游或在海洋中游泳。这些生物在生命早期的生长通常非常迅速。 必须如此。 它们需要快速生长，否则就会被吃掉。 对巨型动物的广泛研究已经解决了支撑和移动如此庞大身躯的独特挑战。 但是，对于陆地和水生巨型动物而言，极端生长的最大且在很大程度上被忽视的障碍可能涉及其神经系统的快速发育。
与其他所有细胞类型不同，神经元不通过细胞分裂来增加组织体积，而是通过扩大细胞本身的体积来实现。 在发育早期，神经元会发出神经纤维或轴突，这些轴突从其细胞体（容纳细胞核和其他结构）延伸出来，利用化学和物理线索导航并缓慢地向目标细胞生长，通常不超过几毫米远。 一旦到达目标，轴突生长的第一个经过充分研究的阶段就达到顶峰，并与另一个神经元形成连接，称为突触。
但是轴突的生长和伸长并没有就此停止。 它继续仅依靠机械力，这些机械力可以以看似不可能的速度延伸纤维。 第二阶段研究不足，称为“拉伸生长”，随着神经元细胞体与其目标之间距离的增加而持续进行。
支持科学新闻业
如果您喜欢这篇文章，请考虑支持我们屡获殊荣的新闻业，方式是 订阅。 通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的有影响力的故事的未来。
随着生物的生长，轴突会进行一场拔河比赛。 拉动绳索状轴突的张力威胁要使纤维破裂，因为它们只能拉伸到一定程度。 拉伸生长会不断增加轴突的长度，从而缓解紧张。 随着身体的生长，轴突的机械拉伸在自然界中普遍存在，并且被认为驱动了轴突束的形成和组织，轴突束构成了大脑和脊髓以及大脑外部周围神经中的白质。 发育过程中椎骨的生长刺激了脊髓中轴突的生长。 周围神经中的轴突沿着生长的长骨和其他刚性结构延伸。 然而，关于这个过程仍有许多谜团，陆地和水生巨型动物的轴突拉伸速度和距离究竟有多快和多远仍有待确定。
每天几厘米
一个明显的巨大生长例子是蓝鲸，它成年时可以达到惊人的 30 米长。 使用记录的鲸鱼在发育不同时期的体长测量值，我们之前计算出跨越脊髓的轴突的峰值拉伸生长速率高达惊人的每天 3.4 厘米。 这个速度与神经科学教科书中描述的速度形成鲜明对比。 事实上，一种称为神经丝蛋白的关键轴突构建块在这些神经纤维中的移动速度仅为每天几毫米。这大约与培养物中萌发的轴突和从损伤中再生的轴突的延伸速率相匹配，两者都在延伸轴突的末端增加细胞体积。
即使以这种速度，蛋白质也仍然需要数年时间才能完成成熟鲸鱼最长轴突的旅程。 然而，最近的计算建模分析表明，用于轴突拉伸生长的新蛋白质是从神经元细胞体中挤出或推出的，因此它们不必进行越来越长的细胞末端之旅来延长轴突长度。
即使在这里，蓝鲸轴突构建的速度似乎也难以维持。 事实上，据计算，轴突长度每增加 3 厘米，每天都会向轴突添加超过神经元细胞体两倍的体积。
值得注意的是，这种尺寸的增加与每天数量翻倍的侵袭性癌细胞的峰值生长速率相媲美。在蓝鲸中，这个过程达到了惊人的程度——脊髓轴突可以从脑干延伸到尾部 24 米长。 尽管轴突的直径非常细，但如此长的延伸最终导致其体积比其细胞体大 1,000 多倍。 具有非常长轴突的神经元的这种奇异几何形状可能代表任何哺乳动物体积最大的细胞之一。 对于常规细胞维护，很难想象神经元细胞体如何为如此大的轴突体积提供足够的蛋白质和其他细胞供应，这些轴突体积延伸到离细胞体如此远的地方。 有人建议蛋白质合成可能沿着轴突本身发生，以克服生产和分配方面的挑战，但关于这种不寻常的细胞过程，我们仍有很多东西需要学习。
恐龙登场
尽管其机制存在许多谜团，但极端轴突拉伸生长显然对巨大的蓝鲸非常有效。 然而，虽然每天 3.4 厘米的轴突生长速度令人印象深刻，但蓝鲸面临着来自其他巨型动物的激烈竞争。 一种被称为蜥脚类恐龙的恐龙登场了，特别是人们认为这种恐龙在孵化后的最初几年具有较高的生长速度，以避免被捕食。 然而，与蓝鲸的广泛文献记录不同，几乎没有化石证据可以帮助计算最大的恐龙是如何生长的。 来自相对较大但不是最大型的恐龙的有限化石线索允许粗略估计身体生长速度，包括相对完整的鸭嘴龙慈母龙在不同发育阶段的化石。 测量表明，它在生命的第一年从 0.5 米的幼体长度生长到略微超过其 7 米成人长度的一半。 这在第一年大约是 3.6 米，或每天大约 1 厘米。
在此期间，我们知道慈母龙的骨骼中有生长停滞线，表明它在最初的七到九个月内达到了 3.6 米。 如果是这样，它的每日生长速度约为每天 1.33 到 1.71 厘米。 假设它的脊髓轴突也以相同的速度生长，那么这远远低于蓝鲸的峰值轴突生长速度。
但是等等！ 也许最近发现的一只幼年蜥脚类恐龙拉培托龙·克氏让恐龙重回竞争。 这一新发现为之前研究的幼体和这种物种 15 米长的成年标本之间提供了缺失的环节。 通过比较幼体和幼年拉培托龙之间股骨长度的差异，推断出的体长增长估计在生命最初的几个月内高达每天 2.7 厘米。 值得注意的是，这段时间似乎是在动物的第一个生长停滞期之前。 因此，与每天 2.7 厘米的体长增长相匹配的脊髓轴突的平均生长速度具有竞争力，但仍低于蓝鲸，使拉培托龙位居第二。
从检查全身长度增长转向关注快速延伸的颈部的轴突增长，可能会将一种新的哺乳动物竞争者带入竞争。 产前长颈鹿的脖子相对较短，这被认为可以保护它们在出生时免受伤害。 然而此后它们的脖子每天可以生长 2.5 厘米。 这表明它们的颈椎脊髓轴突具有相似的生长速度，但这低于蓝鲸和拉培托龙的峰值脊髓轴突生长速度。 然而，颈部神经轨迹中潜在的进化失误可能有助于长颈鹿在最极端轴突拉伸生长竞赛中超越蓝鲸。
长颈鹿的左迷走神经遵循一个在解剖学上几乎没有意义的方向，从脑干出来并向下延伸到颈部，在那里它分裂成左喉返神经。 然后，喉返神经在大动脉弓（将血液从心脏输送出去的大动脉的一部分）下方环绕，然后返回颈部到达声带。 在发育过程中，动物左迷走神经和喉返神经中的轴突的生长速度必须大约是其颈部的两倍。 这使得这些轴突的生长速度达到每天约 5 厘米。 因此，长颈鹿似乎从蓝鲸手中夺走了领先地位。
获胜者是...
等等，拉培托龙也有一个长脖子，人们认为它的喉返神经的解剖分布与长颈鹿的脖子相同，这使得蜥脚类恐龙重回比赛。 但是，由于拉培托龙的脖子仅占其身体长度的一半左右，即使我们将喉返神经的生长速度加倍，我们仍然回到每天约 2.7 厘米。 因此，在最后的冲刺阶段，获胜者是长颈鹿——以脖子取胜！ 至少目前是这样。 其他蜥脚类恐龙物种比拉培托龙大得多，如果它们沿着相同的时间线发育，可能会出现更惊人的轴突生长速度。 只有未来对最大恐龙的生长速度进行研究，才能探索这种诱人的可能性。
人类可能很快也会加入最极端轴突拉伸生长的竞争。 不，不是通过让人类快速生长超大尺寸的脖子和身体，而是在实验室中突破轴突生长的极限。 事实上，使用生物反应器模拟自然，通过机械拉长跨越两个神经元群体的轴突束，已经在实验室培养皿中实现了每天 1 厘米的极端轴突拉伸生长。 随着这种原本神秘的轴突生长形式的机制通过实验揭示出来，人们认为可能实现更快的生长速度。 凭借这项有希望的实验工作，以及对其他物种快速神经系统发育的新兴理解，这场竞争远未结束。