Approfondimento
Le dimensioni della cellula
Salvo particolari eccezioni, le cellule non sono visibili a occhio nudo e il loro studio richiede l’uso del
microscopio. Le dimensioni della maggior parte delle
cellule sono comprese tra circa 1 micron (μm) o millesimo di millimetro (1μm = 10–3 mm) e circa 100
μm (fig. 1).
Le cellule procarioti misurano in genere tra 1μm e
10 μm, quelle eucarioti tra 10 e 100 μm (nel caso più
frequente tra 20 e 40 μm): le cellule animali e vegetali
sono quindi di circa un ordine di grandezza più grandi
di quelle dei batteri. Alcune cellule animali (come le
uova delle rane) e vegetali sono visibili a occhio nudo.
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Fig. 1
Confronto, in scala logaritmica, tra le dimensioni di alcuni tipi di cellule e di altre strutture cellulari, con indicati gli intervalli di visibilità
a occhio nudo e utilizzando il microscopio ottico ed elettronico.
L’importanza del rapporto superficie/volume.
Ci si può chiedere perché le cellule sono così piccole.
La risposta a questa domanda parte da due considerazioni: una riguarda le necessità metaboliche delle
cellule, l’altra chiama in causa un vincolo geometrico.
La sopravvivenza di una cellula è assicurata dal
continuo scambio di materiali con l’ambiente esterno:
da una parte entrano sostanze nutritive (ioni e molecole), che alimentano i processi metabolici, dall’altra
escono i prodotti di rifiuto.
Questi movimenti avvengono attraverso la superficie della cellula, costituita dalla membrana plasmatica, che separa l’ambiente interno (endocellulare) da
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quello esterno (extracellulare).
Qui entra in gioco il vincolo geometrico: per qualsiasi corpo solido di forma costante, si nota che, al
crescere delle dimensioni, il rapporto superficie/volume (S/V) diminuisce. Se consideriamo un cubo,
possiamo osservare che il rapporto superficie/volume diminuisce rapidamente all’aumentare del lato
(fig. 2a): il motivo è che il volume aumenta in misura
maggiore rispetto alla superficie.
Le esigenze metaboliche di una cellula sono commisurate alla sua massa e quindi al suo volume: maggiore è il volume, maggiore è la quantità di sostanze
che devono attraversare la sua superficie.
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Approfondimento
2a
Tabella 1. Rapporto S/V
lunghezza
del lato
del cubo
1
2
3
4
5
superficie
6
24
54
96
150
volume
1
8
27
64
125
s/v
6
3
2
1,5
1,2
2b
Fig. 2
(a) La tabella indica come il rapporto S/V aumenti al diminuire
del lato di un cubo: i tre cubi rendono visivamente l’idea (in particolare si nota che, a ogni raddoppio del lato del cubo, il rapporto
S/V si dimezza).
(b) Si osserva come uno stesso volume cellulare, equamente
suddiviso tra cellule più piccole, consenta a queste di mantenere
complessivamente un elevato rapporto S/V, come accade negli
organismi pluricellulari.
La condizione che rende ottimali gli scambi, per la
maggior parte dellecellule, si colloca intorno a valori
delle dimensioni compresi tra 1 μm e 50 μm. Si è potuto
notare che le cellule chiamate a svolgere una più intensa attività
metabolica sono spesso di dimensioni relativamente
piccole.
Una cellula può adottare alcune soluzioni per sfruttare i vantaggi delle maggiori dimensioni compensando
i problemi dovuti alla riduzione del rapporto S/V.
Per esempio, può aumentare l’area superficiale assumendo una forma allungata e ripiegando la membrana,
come nelle cellule dei villi intestinali (fig. 3).
Quando il volume aumenta, non lo fa, come detto,
nella stessa misura della superficie e ciò pone un limite all’aumento delle dimensioni cellulari: in una cellula
troppo grande gli scambi di sostanze rischierebbero di
non avvenire con la necessaria tempestività ed efficienza. Possiamo rendercene conto osservando la figura 2b
che raffigura ipotetiche cellule di forma cubica (come
del resto talvolta accade nella realtà). La cellula grande
e l’insieme delle 27 cellule piccole hanno lo stesso volume: la prima, tuttavia, ha un’area superficiale di appena
1/3 rispetto all’area superficiale complessiva delle 27
cellule piccole, che pertanto sono avvantaggiate nell’effettuazione di scambi veloci e puntuali.
Fig. 3
Le cellule dei villi intestinali hanno un elevato rapporto S/V, che
consente loro un efficace assorbimento di sostanze dal lume intestinale.
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RISPONDI
• Per quale ragione le cellule hanno in genere dimensioni non superiori a 50 μm?
• Perché il volume di una cellula condiziona il suo metabolismo?
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