28 gennaio 2013

La cellula, la teoria cellulare e l'effetto scala

Oggi vorrei parlarvi dell'elemento chiave di tutta la biologia: la cellula. Su Science for passion sentivo la mancanza di qualche post a riguardo: penso che sia un argomento fondamentale, in primo che viene studiato quando si parla di esseri viventi. Basta osservare il mondo attorno a noi,  quello che possiamo vedere con i nostri occhi e quello microscopico, per renderci conto che siamo circondati da un'infinita varietà di forme di vita. Tutte, dalla  più semplice alla più complessa, hanno qualcosa in comune: l'elemento base della vita, la cellula.

Organismi unicellulari e pluricellulari, cellule procarioti ed eucarioti
La cellula, infatti, è l'elemento di base di ogni essere vivente.
Esistono esseri viventi formati da una sola cellula, detti unicellulari; batteri e lieviti sono certamente tra gli organismi più noti appartenenti a questa categoria.
Escherichia coli è un batterio ed è un esempio di organismo unicellulare.
L'organizzazione interna di queste cellule è piuttosto semplice; per utilizzare un termine tecnico, si dice che il batterio è formato da una cellula procariote (Wikipedia).
Microfotografia di lieviti: sono un gruppo di funghi, formati da un'unica cellula, con un'organizzazione interna decisamente più complessa rispetto a quella batterica; cellule di questo tipo sono dette cellule eucariotiAlcuni lieviti, come la Candida albicans, possono causare infezioni nell'uomo, mentre Saccharomyces cerevisiae è utilizzato per la produzione di vinopane e birra (Wikipedia).
Gli organismi unicellulari hanno dimensioni microscopiche e non sono visibili ad occhio nudo.
Un'eccezione a questa regola della biologia sono i protozoi giganti, chiamati xenophyophores, formati da un'unica cellula, con un diametro superiore ai 10 cm. Vivono in condizioni di vita estreme, negli abissi della Fossa delle Marianne.
Xenophyophore in the Galapagos Rift (Wikipedia)
Per approfondire consiglio questo link 
http://www.lescienze.it/
Le altre forme di vita che possiamo vedere ad occhio nudo, come l'uomo, gli altri animali  e le piante, sono, invece, formati da più cellule che, cooperando tra loro, garantiscono la vita. Questi esseri viventi sono detti pluricellulari e sono dotati di cellule eucarioti.
Le spugne, ad esempio. sono gli organismi pluricellulari più semplici ed appartengono al regno animale. Il nostro organismo, invece, ha un'organizzazione piuttosto complessa garantita da circa 100.000 miliardi di cellule che collaborano tra loro!
Una spugna marina (Wikipedia)
Dai primi studi al microscopio alla teoria cellulare
Le cellule furono osservate per la prima volta nel 1665 dall'inglese Robert Hooke: egli osservò delle sottili fettine di sughero, utilizzando un semplicissimo microscopio.
Il microscopio di Hooke (Wikipedia)
Al microscopio vide degli elementi di forma regolare, simili a piccole stanze e le chiamò cellule.
Disegno della struttura del sughero così come apparve a Robert Hooke, che la osservò in un rudimentale microscopio. Tale immagine, contenuta nella sua opera Micrographia, è all'origine dell'utilizzo del termine cellula per indicare l'unità fondamentale degli organismi viventi (Wikipedia)
Raccolse le sue osservazioni nell’opera Micrographia; oggi sappiamo che Hooke osservò, in realtà, le pareti di cellule vegetali morte, ma furono il primo significativo passo avanti per la scoperta di questo mondo microscopico e brulicante di vita. Oggi esiste un'intero settore della scienze che si occupa dello studio delle cellule: la citologia.

Pochi anni dopo, nel 1673, lo scienziato olandese Antoni van Leeuwenhoek  compì diverse osservazioni al microscopio, che lui stesso aveva contribuito a migliorare; fu il primo ad osservare delle cellule vive: globuli rossi, piccoli organismi presi da acque stagnanti o dal suolo e, persino, gli spermatozoi, che egli indicò con il termine "animalunculi", ovvero "piccoli animali".

Il passo successivo fu compiuto diversi anni più tardi, nel 1830, da Theodor Schwann: il fisiologo tedesco studiò al microscopio la cartilagine degli animali e vide che era formata da cellule. Ipotizzò dunque, che le cellule fossero gli elementi costitutivi degli animali. Nove anni più tardi, il botanico tedesco Matthias Schleiden confermò che anche le piante erano formate dai medesimi elementi di base. Grazie a questi due scienziati la cellula viene riconosciuta come un elemento presente in tutti gli esseri viventi.

Infine, nel 1860 il patologo tedesco Rudolf Virchow concluse che ogni cellula nasce da un'altra cellula preesistente e non da materiale amorfo.

Schwann, Schleiden e Virchow sono considerati i padri della teoria cellulare.

Questa teoria può essere schematizzata in 3 semplici punti:
1) tutti i viventi sono formati da una o più cellule;
2) le cellule costituiscono le unità fondamentali di ciascun essere vivente;
3) tutte le cellule derivano da altre cellule.

Effetto scala: le dimensioni di una cellula
Le cellule possono avere diverse dimensioni e forme.
I batteri, formati da un'unica cellula procariote, ad esempio, hanno forme assai variabili.

I batteri a forma sferica prendono il nome di Cocchi;
I batteri a forma cilindrica  prendono il nome di Bacilli.
I batteri a forma spiriforme  prendono il nome di Spirilli. 
I batteri a forma di virgola prendono il nome di Vibrioni.
I batteri con più curve  prendono il nome di  Spirochete.

Le cellule batteriche sono le più piccole ed hanno una lunghezza variabile da 1 µm a 10 µm: questa loro caratteristica è molto importante perché permette una crescita ed una riproduzione estremamente rapidi.

Le cellule eucariote sono, invece, di dimensioni maggiori: il loro diametro varia da 10 µm a 30 µm, in alcuni casi può arrivare a 100 µm.

Le cellule eucarioti, in un organismo pluricellulare, si organizzano per svolgere compiti specifici: a seconda della loro funzione possono essere di forma sfera, irregolare, cubica, cilindrica o persino stellata.
Nei vegetali la forma della cellula è più regolare perché le cellule vegetali possiedono delle pareti rigide che le proteggono e ne mantengono la forma.

Le cellule non possono essere più piccole: non potrebbero contenere tutti gli elementi chimici che rendono possibile la loro vita.
Non potrebbero essere neppure più grandi: non riuscirebbero a svolgere efficacemente le loro funzioni vitali. Questo principio è noto come effetto scala; per mantenere costante le sue dimensioni, ovvero il rapporto superficie / volume, la cellule si divide periodicamente.

I protozoi giganti, di cui vi ho parlato all'inizio, possono essere visti come un'eccezione, ma la regola rimane valida per la maggior parte degli esseri viventi; le loro caratteristiche peculiari sono legate alle condizioni estreme in cui vivono e ci ricordano che, nonostante i numerosi progressi della scienza, tanti sono ancora i segreti della natura da scoprire.

Concludo con una precisazione sulle unità di misura, sempre invise agli studenti:
1 nanometro (nm) = 1/1000 micrometro = 1/1.000.000.000 metro (m)
1 micrometro (µm) o micron = 1/1000 millimetro = 1/1000.000 metro (m)
1 millimetro (mm) = 1/10 centimetro
1 centimetro (cm) = 1/10 decimetro
1 decimetro (dm) = 1/10 metro (m)

Nei prossimi post spiegherò la differenza tra una cellula procariote ed una cellula eucariote per poi tornare al mio argomento preferito: il materiale genetico! Se vi ho incuriosito, continuate a seguirmi su queste pagine!
Tania Tanfoglio

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