ALBERGHINA COVER_ABconf.indd

ALBERGHINA LA BIOLOGIA
Nel CD-ROM per lo studente: lezioni multimediali in italiano e in inglese
di @pprendiscienza, Scienza VIVA, In laboratorio
Nella guida: programmazione flessibile e personalizzabile, uso del Libropiùweb e dei contenuti multimediali
per LIM, lezioni ed esercizi per Biology in English, percorsi didattici, prove di valutazione.
Nel DVD-ROM per l’insegnante: libro digitale interattivo, dinamico e personalizzabile
dal docente ottimizzato per videoproiezione e per la LIM
Piano dell’opera percorso annuale
Piano dell’opera percorso tematico
1° biennio
ISBN 978-88-247-3133-1
Volume AB
A – Le basi chimiche della vita.
B – La cellula: l’unità del vivente.
ISBN 978-88-247-3061-7
Volume CD
C – Processi cellulari, genetica mendeliana ed evoluzione.
D – Biodiversità ed ecosistemi.
978-88-247-3244-4
Volume CEF
C – Processi cellulari, genetica mendeliana ed evoluzione.
E – Le basi molecolari dell’ereditarietà: genetica
ed evoluzione.
F – Metabolismo: fotosintesi e respirazione.
AB+CD con CD-ROM
ISBN 978-88-247-3134-8
Guida con DVD-ROM
ISBN 978-88-247-3171-3
Dossier «Dal DNA alla Biologia molecolare»
ISBN 978-88-247-3245-1
2° biennio
Dossier «Dal DNA alla Biologia molecolare»
ISBN 978-88-247-3243-7
Volume H
H – Il corpo umano.
in preparazione
EFG+Dossier+H con CD-ROM
in preparazione
Guida con DVD-ROM
in preparazione
5° anno
in preparazione
Volume ILMN con CD-ROM
I – Ingegneria genetica e bioetica.
L – Biochimica, regolazione e biologia dei sistemi.
M – Evoluzione biologica e culturale.
N – Neuroscienze.
Guida con DVD-ROM
AB+CEF+Dossier con CD-ROM
ISBN 978-88-247-3246-8
Guida con DVD-ROM
Volume DG
in preparazione
D – Biodiversità ed ecosistemi.
G – Forma e funzioni di piante e animali.
Volume H
H – Il corpo umano.
in preparazione
DG+H con CD-ROM
in preparazione
Volume ILMN con CD-ROM
in preparazione
I – Ingegneria genetica e bioetica.
L – Biochimica, regolazione e biologia dei sistemi.
M – Evoluzione biologica e culturale.
N – Neuroscienze.
Guida con DVD-ROM
in preparazione
CONTENUTI MULTIMEDIALI
Volume AB +
Volume CD +
CD-ROM non vendibili
separatamente
ALBERGHINA COVER_ABconf.indd 1
•
•
•
•
•
in preparazione
@pprendiscienza: lezioni multimediali interattive in italiano e in inglese
Scienza VIVA e Audio DOC: animazioni e narrazioni in mp3
CruciWEB e E-trainer: cruciverba e test interattivi per mettersi alla prova
In laboratorio: proposte di laboratorio scaricabili e stampabili
Strumenti per l’insegnante: me-book e test di verifica con registro
virtuale, programmazione, presentazioni e verifiche personalizzabili
in preparazione
A
B
CO
Lilia Alberghina Franca Tonini
ALBERGHINA
LA BIOLOGIA
A
B
NC
ISBN 978-88-247-3242-0
Volume EFG
E – Le basi molecolari dell’ereditarietà:
genetica ed evoluzione.
F – Metabolismo: fotosintesi e respirazione.
G – Forma e funzioni di piante e animali.
ALBERGHINA LA BIOLOGIA
ISBN 978-88-247-3133-1
Volume AB
A – Le basi chimiche della vita.
B – La cellula: l’unità del vivente.
M
@pprendiscienza
Lilia Alberghina Franca Tonini
Nel volume: Storie di scienza e di scienziati; Medicina & società; Dentro la ricerca; Chiave di lettura;
Questioni aperte & Nuove frontiere; Verifica flash; A colpo d’occhio; Piccolo dizionario medico
RO
D-
Lilia Alberghina Franca Tonini
Le basi chimiche della vita
La cellula: l’unità del vivente
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00I-VII_Romane_RistNUOVO-AB
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Pagina III
S
ommario
Sezione A
Le basi chimiche della vita
Medicina & società
Il lato oscuro degli elementi
Capitolo 1
Lo studio della vita
2
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
Alla ricerca del segreto della vita
3
1. I livelli di organizzazione della vita
4
2. Le caratteristiche dei viventi
5
3. Le proprietà della vita
9
4. Il metodo sperimentale
11
5. Un’applicazione del metodo scientifico
alle scienze della vita
14
Dentro la ricerca
In viaggio tra tre infiniti
40
Questioni aperte & Nuove frontiere
Oceani acidi, una minaccia per la vita
41
a colpo d’occhio Gli elementi e i composti
42
esercizi
44
Capitolo 3
La chimica della vita
48
17
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
Questioni aperte & Nuove frontiere
Alla ricerca della vita extraterrestre
18
a colpo d’occhio La vita e i viventi
esercizi
L’importanza dell’asimmetria per la vita
49
20
1. Le molecole organiche sono composti
del carbonio
50
22
2. I costituenti molecolari delle cellule
54
3. Le proteine, molecole essenziali per la cellula
55
Dentro la ricerca
Capitolo 2
Atomi, molecole
e legami chimici
24
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
Il secolo del radio
25
1. La struttura e le proprietà degli atomi
26
2. I legami atomici
30
Dentro la ricerca
Isotopi e radioisotopi
32
3. L’acqua, un composto fondamentale per la vita 34
Domini proteici
58
4. Gli acidi nucleici, custodi dell’informazione
genetica
60
5. I lipidi, una scorta di energia
63
6. I glucidi, il sostegno della vita
66
Medicina & società
Chimica, alimentazione e vita
70
Questioni aperte & Nuove frontiere
Bioluminescenza: un’inaspettata risorsa
72
a colpo d’occhio La chimica della vita
74
esercizi
76
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Pagina IV
S
ommario
Sezione B
La cellula: l’unità del vivente
Capitolo 4
La cellula:
struttura e funzioni
80
2. La membrana plasmatica
100
3. Procarioti ed eucarioti: le differenze
102
4. Dentro la cellula procariote
104
5. Dentro la cellula eucariote
105
6. Gli organuli delimitati da membrana semplice 108
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’abbandono di una teoria ben radicata
81
7. Le strutture sovramolecolari
110
1. L’unità dei viventi nella diversità
82
8. Gli organuli delimitati da doppia membrana
113
2. Principi e storia della moderna teoria cellulare
82
Medicina & società
Quando ciglia e flagelli non battono più
113
Dentro la ricerca
L’osservazione al microscopio
84
9. Dentro la cellula vegetale
114
3. Le dimensioni delle cellule
86
4. Forme, funzioni e numero delle cellule
90
Medicina & società
La lunga e alterna lotta tra noi e batteri
117
91
10. Oltre la cellula: livelli superiori
di organizzazione
118
11. Le formazioni extracellulari
120
Dentro la ricerca
Verso la biologia molecolare
Questioni aperte & Nuove frontiere
I virus, sospesi tra vita e non vita
92
Dentro la ricerca
a colpo d’occhio Le cellule
94
Affinità e riconoscimento tra cellule
120
esercizi
96
Questioni aperte & Nuove frontiere
Alla scoperta della minaccia biofilm, dei
nuovi mezzi per conoscerla e contrastarla
124
a colpo d’occhio La cellula eucariote
126
esercizi
128
Capitolo 5
Le cellule procariote
ed eucariote
98
Glossario
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
Un inedito paesaggio submicroscopico
da interpretare
1. Procarioti ed eucarioti:
le caratteristiche comuni
IV
Indice analitico
99
100
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Pagina V
S
ommario
Sommario dei contenuti online
Per la classe virtuale e nel CD-ROM studente
Per esercitarsi
animazioni, video, attività interattive
narrazioni in mp3 scaricabili associate alla rubrica
Storie di scienze e di scienziati
proposte di laboratorio associate agli esercizi
cruciverba interattivo associato ad ogni Verifica flash
Scienza
S
i
VIVA
eLAB
@pprendiscienza
lezioni multimediali in italiano e in inglese
test interattivi associati agli esercizi di fine capitolo
E-TRAINER
Sezione A – Le basi chimiche della vita
Sezione B – La cellula: l’unità del vivente
Capitolo 1
Capitolo 4
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI Alla ricerca del segreto della vita
Come stendere una relazione tecnica; La sicurezza in laboratorio.
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’abbandono di una teoria ben radicata
S
A
Capitolo 2
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI Il secolo del radio
S
A
Paragrafo 1 Tavola periodica; Paragrafo 2 I legami atomici; Paragrafo 3 Tensione superficiale; Dissoluzione del
sale in acqua; Misura del pH
Uso del microscopio; Osservazione dei batteri dello yogurt
Capitolo 5
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI Un inedito
paesaggio submicroscopico da interpretare
Differenza di comportamento tra atomo e ione; Misura del
pH di sostanze biologiche di uso comune
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’importanza dell’asimmetria per la vita
Paragrafo 2 La struttura della membrana plasmatica; Paragrafo 5 La struttura della cellula eucariote; Cellula animale e cellula vegetale; Paragrafo 6 Il funzionamento dell’apparato di Golgi; Paragrafo 8 La teoria dell’endosimbiosi
Paragrafo 3 La struttura delle proteine; Paragrafo 4 Gli
acidi nucleici; Paragrafo 5 I trigliceridi; I fosfolipidi; Paragrafo 6 Il glucosio
Cellule animali e vegetali; Come le dimensioni influenzano
la diffusione; Permeabilità selettiva della membrana cellulare
S
Capitolo 3
S
A
Paragrafo 1 Dalla cellula all’organismo; Paragrafo 2
Dentro la ricerca La struttura dei microscopi; Paragrafo 3 La scala logaritmica dei viventi; Il rapporto superficie/volume; Paragrafo 4 Forma e funzione delle cellule
A
Scomposizione di un olio in sostanze semplici; Scomposizione dell’amido in sostanze più semplici
V
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A
tlante del corso
Atlante del corso
Le Storie di scienza e di scienziati
introducono al capitolo raccontando idee
e uomini che hanno cambiato la nostra
comprensione del mondo.
Nel paragrafo, la Chiave
di lettura in evidenza invita
a comprendere i “come”
e i “perché” della biologia;
la Verifica flash aiuta a fare
il punto sulle conoscenze
acquisite;
le domande sulle chiavi di
lettura attivano il pensiero
critico.
La scheda
Medicina e società
affronta argomenti
biomedici, con uno
sguardo rivolto
al mondo e ai suoi
problemi.
Dentro la ricerca approfondisce
metodi, strumenti e applicazioni
delle discipline che studiano il
vivente.
In Questioni aperte
e Nuove frontiere
le autrici rispondono
a un’intervista
su temi caldi,
esplorando le sfide,
scientifiche o etiche,
che la ricerca pone e
anticipando
gli scenari futuri.
www.libropiuweb.it
La rubrica finale
A colpo d’occhio
sintetizza il capitolo
in modo contestuale
e visivo.
Gli esercizi di fine
capitolo si
articolano su tre
livelli: Sapere,
Saper fare
e Saper
interpretare.
Per la classe virtuale e nel CD-ROM studente
Animazioni, video e attività
interattive, per comprendere
strutture e processi della biologia
Scienza
S
i
VIVA
Proposte di laboratorio
scaricabili e stampabili
@
pprendiscienza
Lezioni multimediali in italiano
e in inglese
Per esercitarsi
Gli esercizi
Narrazioni mp3 scaricabili,
comprendono
per ascoltare la scienza
i laboratori e
raccontata dai protagonisti
il Piccolo
Cruciverba con i termini
dizionario medico,
della biologia, per ripassare
da riempire e
e imparare divertendosi
utilizzare per
Test interattivi, per mettere
attività di ricerca.
alla prova le proprie conoscenze
E-TRAINER
VI
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Pagina VII
Nel CD-ROM dello studente e nella classe virtuale sono presenti 13 lezioni multimediali interattive di @pprendiscienza, in italiano e in inglese,
con oltre 400 animazioni, video, attività e simulazioni.
Un’interfaccia intuitiva e un’organica integrazione dei contenuti con attività di valutazione, facilitano lo studio e motivano lo studente con l’aggiornamento continuo dei risultati raggiunti.
Ogni lezione è composta da oggetti dinamici che tracciano le attività degli studenti e adattano i contenuti alle loro conoscenze e ai progressi
raggiunti per un percorso di apprendimento veramente personalizzato. Infatti, le lezioni sono estremamente interattive con report e feedback,
che motivano ogni risposta e forniscono, a seconda dei risultati, attività di recupero o approfondimento.
Inoltre, costantemente a disposizione, lo studente trova strumenti di consultazione quali glossario e biografie.
LEZIONI
ENGLISH VERSION
LEZIONI
ENGLISH VERSION
Struttura delle cellule animali
e vegetali
Structure of plant and animal cells
La classificazione
degli organismi
Classification
of organisms
La composizione chimica
delle cellule
Chemical composition of cells
I virus
Viruses
Il nucleo, archivio per il materiale
genetico
The nucleus as a store of genetic
material
L’origine della vita sulla Terra
The origin of life on Earth
La divisione cellulare
Cell division
Charles Darwin e la teoria
dell’evoluzione
Charles Darwin and the theory
of evolution
La specializzazione nelle cellule
Cell specialization
Le leggi dell’evoluzione e della
speciazione
Laws of evolution and speciation
Trasporti e membrane
Transport across membranes
La storia della vita sulla Terra
The history of life on Earth
Le trasformazioni metaboliche
nella cellula
Metabolic transformations in a cell
Obiettivi
di apprendimento
Pulsanti per la
navigazione
Ogni argomento
è organizzato
in più livelli
di approfondimento
e verifica
Numerosi video
e animazioni
presentano
i contenuti
in modo
coinvolgente
Ogni lezione è disponibile
in italiano e in inglese
Glossario
e biografie
Simulazioni interattive per
entrare nel vivo dei processi
Il report dei risultati raggiunti
e delle attività svolte
consultabile in qualsiasi
momento
Numerose tipologie di attività interattive
di autovalutazione con feedback animati
VII
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C 4
apitolo
La cellula: struttura
e funzioni
Questo neonato, da adulto
possiederà all’incirca 100 mila
miliardi di cellule specializzate per
svolgere circa 200 diversi tipi di
funzione. L’informazione necessaria
per la produzione e la
diversificazione di questa enorme
quantità di cellule è tutta già
contenuta nello zigote, la prima
cellula della nuova vita.
S T O R I E D I S C I E N Z A E D I S C I E N Z I AT I
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L’abbandono di una teoria ben radicata
Il vivente è generato sempre da un altro vivente. E
le cellule, che sono le unità costitutive del vivente, derivano sempre da altre cellule. Questo fondamento
della biologia moderna ci appare scontato, ma è stato
accettato solo in tempi recenti.
Fino al XVII secolo i naturalisti rimasero soggetti
all’autorità degli antichi e, ancor più a lungo, della Bibbia. A proposito dell’origine della vita, ritenevano che
gli animali si producessero per generazione spontanea
secondo modalità che ci appaiono oggi assai fantasiose.
La teoria della generazione spontanea:
un’ipotesi antica
Per secoli si pensò che la vita si generasse per influenza dell’aria calda o del sole da substrati come il
terriccio, il letame, il sudore o la schiuma del mare. Si
ritenne che dagli escrementi derivassero pidocchi e
vermi; che dalle foglie di basilico marcite nascessero
scorpioni; che rane e lumache provenissero dai miasmi della palude. Una teoria curiosa prevedeva che uccelli e pesci fossero generati dalle foglie cadute dagli
alberi, rispettivamente in terra e in acqua.
In accordo con l’autorità degli antichi, si credeva
che il segreto della vita risiedesse in una “forza vitale” in
grado di animare sostanze inanimate: un’idea largamente sostenuta dai cosiddetti vitalisti. A loro si opponeva un
piccolo gruppo di scienziati chiamati meccanicisti, i quali ritenevano invece che il vivente derivasse dal vivente,
secondo una stretta relazione di causa-effetto.
La prima confutazione da Francesco Redi
I primi dubbi arrivarono a metà del Seicento,
quando grazie al microscopio la realtà naturale cominciò a essere osservata e analizzata con rigore. Fu il medico italiano Francesco Redi (1626-1697), nel 1668, il
primo a confutare il fenomeno in relazione agli insetti.
Egli dimostrò che nella carne in putrefazione, le mosche si sviluppano da uova deposte da altre mosche e
non dalla carne stessa. Redi prese 8 barattoli e in
ognuno inserì pezzi di diversi animali. Divise poi i barattoli in due gruppi: 4 aperti, senza tappo e 4 chiusi
con un tappo. Osservò che nei barattoli aperti alcune
mosche venivano a contatto con la carne e che la carne “sviluppava” diverse larve. Nei barattoli tappati, invece, non trovò larve né mosche. Ne dedusse che le
mosche potevano essere generate solo da altre mosche. La sua posizione trovò però forti opposizioni e
non scalfì la generale accettazione della teoria della generazione spontanea.
Una battaglia giocata a colpi
di esperimenti
Tra Seicento e Settecento, il microscopio rivelò
l’esistenza, nelle acque contenenti sostanza organica in
decomposizione, di minutissimi “esseri”, chiamati infu-
Audio DOC
sori in quanto rintracciati per la prima volta negli infusi
di grano. A questa scoperta seguì una serie di esperimenti, tra cui quelli del pastore protestante J. Needham
(1731-1781). Questi mise del brodo di carne bollente in
una provetta ermeticamente chiusa e osservò che dopo
qualche giorno il liquido si era riempito di microrganismi. Egli credette così di aver confermato la teoria della
generazione spontanea.
Le sue conclusioni furono però smentite dal fisiologo italiano Lazzaro Spallanzani (1729-1799), il
quale condusse ulteriori esperimenti utilizzando barattoli chiusi. Spallanzani dimostrò che, se i germi degli infusori vengono distrutti precedentemente mediante ebollizione, non compaiono nel brodo, a meno
che gli infusi non siano esposti all’aria per un certo
tempo. Neanche i suoi esperimenti, però, chiusero la
questione. Spallanzani aveva infatti sterilizzato il brodo e ucciso ogni germe lì contenuto, ma non aveva
verificato gli effetti della sterilizzazione anche nei recipienti aperti. I suoi oppositori obiettarono che in
quel caso la vita non si era generata per mancanza di
ossigeno.
Da Pasteur
il colpo mortale
alla teoria della
generazione
spontanea
Fu Louis Pasteur
(1822-1895) a ideare
l’esperimento decisivo
e a vincere nel 1862 un
premio messo in palio.
Egli versò del brodo
non sterile in un pallone aperto con collo a
Louis Pasteur mentre
forma di cigno, da lui
solleva uno dei palloni con
appositamente progetcollo a S da lui progettati.
tato. Portò a ebollizione
il liquido, in modo da
uccidere i microrganismi contenuti e sterilizzarlo. Come previsto da Pasteur, il liquido si mantenne sterile a
lungo, nonostante il recipiente fosse aperto. Questo
perché i microrganismi presenti nell’aria che venivano
in contatto con il pallone non riuscivano a “risalire” il
tratto curvo del collo e rimanevano intrappolati nell’imboccatura. Solo quando il recipiente venne inclinato, i microrganismi intrappolati penetrarono nella boccia e si moltiplicarono rapidamente nel brodo.
L’esperimento sancì l’abbandono della teoria
della generazione spontanea. Pasteur stesso, in una
serata scientifica alla Sorbona, dichiarò: “Mai la teoria della generazione spontanea potrà risollevarsi dal
colpo mortale inflittole da questo semplice esperimento”.
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S
ezione B 䊏 La cellula: l’unità del vivente
Le diverse disposizioni che questi possono assumere lungo la molecola del DNA costituiscono la base dell’individualità
di ciascun organismo.
1. L’unità dei viventi
nella diversità
CHIAVE
Tutti i viventi sono costituiti dagli stessi
elementi biomolecolari
Gli organismi viventi ci appaiono molto diversi tra loro per dimensioni, forma, rivestimenti, attività e tipo di sostanze chimiche
impiegate per vivere. Eppure sono tutti costituiti da unità fondamentali, le cellule, organizzate sostanzialmente nello stesso modo.
Scendendo a livelli sempre più microscopici, la diversità
dei viventi diminuisce progressivamente, e si basa sulla combinazione dei quattro gruppi di macromolecole che abbiamo
conosciuto nel capitolo precedente: proteine, carboidrati, lipidi e acidi nucleici.
Procedendo ulteriormente verso l’infinitamente piccolo,
scopriamo che il “programma” di ogni vivente, ovvero l’insieme delle informazioni necessarie a permetterne lo sviluppo e
lo svolgimento delle attività cellulari, utilizza un linguaggio che
si compone di sole quattro lettere: i quattro nucleotidi disposti su una lunga sequenza lineare.
a occhio nudo
appaiono diversi
DI LETTURA
Identità e diversità sono dunque concetti relativi che dipendono sia
da come si osservano i singoli organismi sia dal livello di analisi al
quale li si indagano. Una volpe e una bimba, per esempio, appaiono molto diversi a occhio nudo. Si rivelano invece simili al microscopio, per struttura cellulare e composizione chimica (fig. 1).
VERIFICA FLASH
1. Che cosa accomuna tutti i viventi?
CHIAVE
Cruci WEB
DI LETTURA
2. In che senso e perché i concetti di identico e diverso hanno un valore relativo?
2. Principi e storia della
moderna teoria cellulare
Scienza VIVA
La cellula è l’unità elementare dell’attività
biologica
a livello
microscopico
appaiono simili
La moderna teoria cellulare si basa su tre acquisizioni fondamentali:
• ogni essere vivente è costituito da una o più cellule;
• le cellule sono le unità funzionali della vita, di cui ciascuna
cellula reca in sé tutte le caratteristiche;
• tutte le cellule derivano da altre cellule.
C’è voluto molto tempo però per giungere a queste conclusioni. Il mondo dei viventi, infatti, è stato oggetto d’osservazione e di studio fin dal lontano passato, ma piante e animali
per lungo tempo venivano considerati nel loro aspetto esteriore, reso attraente dall’esuberanza di forme e colori, dall’incredibile ricchezza e dalla graduale complessità.
L’esplorazione del mondo cellulare iniziò solo verso la metà del XVII secolo, quando si costruirono i primi microscopi.
Le cellule che formano tutti i viventi sono infatti invisibili a occhio nudo.
Il primo microscopio fu realizzato in Olanda nel 1590, con
varie lenti sovrapposte e alternate da strati d’acqua, ma non
suscitò un interesse particolare per molto tempo.
Le prime osservazioni al microscopio rivelano
che i viventi sono fatti di piccole “celle”
Fig. 1 Unità biologica e chimica dei viventi nella diversità.
82
Nel 1665 lo scienziato inglese Robert Hooke scrisse Micrographia, un testo che per la prima volta descriveva alcune osservazioni compiute con un microscopio composto, formato da
due gruppi di lenti: obiettivo e oculare (fig. 2). Dal sughero, per
esempio, Hooke aveva ricavato con un comune temperino fettine sottilissime che aveva poi osservato con un microscopio,
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apitolo 4 䊏 La cellula: struttura e funzioni
lampada ad olio
oculare
messa a fuoco
lente sferica (ad acqua)
obbiettivo
portacampione
messa
a fuoco
portacampione
lente
Fig. 2 Il microscopio di Hooke.
usando come sorgente luminosa una lampada a olio. Nelle sezioni di sughero lo studioso aveva individuato delle piccole cavità separate da pareti che chiamò celle, perché il loro aspetto
ricordava quello di “piccole camere” vuote. In effetti, si trattava
proprio di cellule. Oggi sappiamo che nel sughero, le cellule
giunte a maturità muoiono e si svuotano. Di queste rimane solo la parete, che conferisce al sughero le caratteristiche di robustezza e leggerezza che conosciamo, caratteristiche che rendono questo materiale un rivestimento protettivo ideale per alcune specie vegetali. Le notevoli distorsioni ottiche dovute alle
scarse tecniche di preparazione delle lenti rendevano però il
microscopio usato da Hooke poco efficace.
Tre anni dopo, l’olandese Antoni van Leeuwenhoek, figlio
di ricchi commercianti, costruì il suo primo microscopio, detto
a sfera di vetro. Era uno strumento semplice, dotato di una sola lente biconvessa levigata da lui stesso a mano e montata tra
due piastre metalliche (fig. 3). I campioni da esaminare erano
posti sulla punta di una vite, in condizioni di illuminazione precarie. Ciò nonostante lo strumento si rivelò capace di ingrandimenti maggiori rispetto ai precedenti grazie alla lente molto
curva. Van Leeuwenhoek usò il suo microscopio inizialmente
per osservare la trama dei tessuti. Successivamente, poiché
coltivava interessi per le scienze naturali, compì da autodidatta una quantità impressionante di osservazioni su ogni genere
di materiale. Indagò dall’acqua al tartaro dei denti, dai parassiti microscopici nell’intestino delle rane ai batteri nella bocca
dell’uomo, dai globuli rossi del sangue agli spermatozoi, che lo
studioso riteneva microscopici animali. In tal modo la biologia
si arricchì di una nuova dimensione. L’osservazione stava procedendo verso il mondo meravigliosamente ordinato e complesso della cellula. Tuttavia, sia Hooke sia Leeuwenhoek si limitarono a osservare il mondo cellulare senza elaborare in
traslatore del campione
Fig. 3 Il microscopio di Leeuwenhoek.
proposito alcuna teoria. Non solo: Leeuwenhoek custodì così
bene il segreto di fabbricazione delle sue lenti che trascorsero
200 anni di silenzio prima che si tornasse a parlare del mondo
microscopico.
La cellula viene riconosciuta come l’unità
costitutiva di tutti i viventi
La teoria cellulare scaturì tra il 1830 e il 1840 dalle osservazioni di due scienziati tedeschi, il botanico Mathias Jakob
Schleiden e lo zoologo Theodor Schwann, che le avevano individuate rispettivamente nei tessuti vegetali e animali. Lo stesso Schwann scrisse che le parti elementari di tutti i tessuti sono formati da cellule. Affermò che esiste un principio universale di sviluppo per le parti elementari degli organismi, per
quanto diversi essi siano: la formazione della cellula. Sostituì
dunque al concetto di “cellula vuota” o “cellula scatola”, ereditato dal secolo precedente, quello di unità indipendente, sul
piano strutturale e funzionale.
Le cellule venivano finalmente riconosciute come gli elementi costitutivi di tutti i viventi, capaci sia di vita indipendente, come nei batteri, sia di una vita d’insieme, se associate a formare un organismo pluricellulare. Alcune osservazioni di
Schwann, però, non risultavano corrette, in particolare quella
relativa alle modalità di formazione di nuove cellule. Per questo motivo, il lavoro dello scienziato tedesco fu soggetto a più
revisioni.
CHIAVE
DI LETTURA
La nuova concezione unificò in una sola, ampia generalizzazione molte delle osservazioni isolate condotte per più di 150 anni.
Fornì la chiave interpretativa unitaria dei fenomeni cellulari e
abbatté la storica “barriera” tra regno animale e regno vegetale.
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ezione B 䊏 La cellula: l’unità del vivente
Dentro
Ricerca
L’osservazione al microscopio
Dal microscopio messo a punto da Leeuwenhoek a oggi, la
cellula ha rivelato in modo
sempre più completo la sua architettura interna grazie al perfezionamento degli strumenti.
Al microscopio ottico si è infatti aggiunto il microscopio
elettronico. Oltre all’ingrandimento, che consiste nel rapporto tra le dimensioni dell’oggetto e quelle dell’immagine,
una caratteristica fondamentale del microscopio è il suo potere di risoluzione, ossia la nitidezza dell’immagine. Questo
parametro esprime la distanza
minima al di sotto della quale
non siamo in grado di vedere
due punti come distinti. L’occhio umano non è in grado di
distinguere dettagli più piccoli di un decimo di millimetro.
Strumenti con potere di risoluzione sempre più elevato permettono di esplorare strutture
sempre più fini.
Le foto di immagini ottenute
con il microscopio vengono
dette microfotografie.
Fig. 1 Microscopio ottico.
a.
Il microscopio ottico
Ha un potere di risoluzione di
0,2 ␮m: al di sotto di questo valore ogni contorno appare sfumato e nebuloso. Ingrandisce la
visione a occhio nudo di circa
500 volte (fig. 1a).
È composto da un tubo dotato
di due sistemi di lenti, uno posto
sul fondo e detto obiettivo e
uno posto in cima e detto oculare. L’obiettivo è rivolto verso un
tavolino portaoggetti sul quale
viene posto il preparato da osservare. Uno specchio dirige un
fascio di luce attraverso il preparato e l’obiettivo ne proietta
un’immagine ingrandita verso
l’oculare (fig. 1b), che la ingrandisce a sua volta. L’ingrandimento globale è quindi il prodotto
dei due ingrandimenti: quello
dell’obiettivo e quello dell’oculare.
I tessuti sono però troppo spessi e opachi per potere essere
posti direttamente sotto l’obiettivo del microscopio. Devono
perciò essere tagliati a fettine
molto sottili (1-10 µm) in modo
b.
da potere permettere il passaggio di un fascio di luce. Impiegando metodi diversi di illuminazione e colorazione del preparato, si riesce a evidenziare
un maggior numero di dettagli.
Per la colorazione si usano sostanze che reagiscono con alcune parti della cellula e non con
altre (per esempio, con il nucleo
e non con il citoplasma), permettendo un contrasto migliore
tra le varie strutture cellulari.
Le immagini così ottenute mostrano la forma delle cellule, ma
non consentono di visualizzarne
in dettaglio la struttura interna
(fig. 1c).
Il microscopio
elettronico
Sfrutta gli elettroni, anziché la luce, per ricavare un’immagine
dell’oggetto osservato. In questo modo riesce a raggiungere
un potere risolutivo superiore al
microscopio ottico. Gli strumenti di questo tipo più utilizzati sono il microscopio elettronico a
trasmissione (TEM) e il micro-
scopio elettronico a scansione
(SEM). Le immagini sono in
bianco e nero, ma spesso vengono colorate per risultare più
leggibili.
TEM
È uno strumento dotato di un
potere di risoluzione di 0,2 nm.
Migliora la visione a occhio nudo ingrandendola di circa
500.000 volte (fig. 2a).
Al posto della luce usa un fascio
di elettroni provenienti da un filamento di tungsteno riscaldato
a temperatura molto alta. Invece delle lenti di vetro utilizza
delle lenti magnetiche che agiscono sulle cariche negative degli elettroni.
Il campione viene posto sotto
vuoto: infatti, poiché gli elettroni vengono facilmente assorbiti
dalla materia, nell’aria non percorrerebbero distanze utili. Per
permettere il passaggio degli
elettroni, che sono dotati di uno
scarso potere di penetrazione, lo
spessore dei campioni deve essere ultrasottile (50 nm). Per con-
Fig. 2 Microscopio elettronico a trasmissione (TEM).
a.
b.
occhio
generatore
del fascio
generatoredi elettroni
di elettroni
oculare
condensatore
campione
campione
obiettivo
obiettivo
nucleo
campione
proiettore
membrana
condensatore
c. Microfotografia
di spermatozoo
al microscopio ottico
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c. Microfotografia
fonte luminosa
di spermatozoo
al microscopio TEM
schermo
schermo visore
visore oolastra
lastra
fotografica
oculare
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Scienza VIVA
trastare le diverse parti del campione si esegue una colorazione
a base di metalli pesanti che assorbono gli elettroni, diffondendoli anziché farsi attraversare.
Gli elettroni generati nel cannone vengono direzionati dalle lenti condensatrici sul campione. Alcuni di essi vengono assorbiti,
altri lo attraversano e vengono
deviati dagli atomi del campione
sull’obiettivo, a formare una prima immagine. Questa viene ulteriormente ingrandita da una
lente proiettore, e infine visualizzata su uno schermo che, sottoposto al bombardamento degli elettroni, diviene fluorescente. In alternativa, si può disporre
una lastra fotografica al posto
dello schermo: si otterrà così una
microfotografia dell’immagine
elettronica (fig. 2b). Il risultato finale è un’ immagine bidimensionale dell’oggetto osservato,
che consente di distinguerne bene la struttura interna (fig. 2c)
Volendo localizzare una determinata molecola, si sfrutta la capacità degli anticorpi (molecole
proteiche) di legarsi in modo
specifico ad altre molecole. In
particolare, si prende l’anticor-
po specifico per la molecola da
localizzare, lo si fa reagire con
minuscole particelle d’oro, dense agli elettroni, in modo da
“marcarlo” e poterne seguire il
percorso; infine, lo si pone a
contatto con il campione. L’anticorpo riconosce la molecola e
la lega, “marcandola” a sua volta e la rende così facilmente individuabile.
Un’applicazione particolare è
l’immunofluorescenza. Se l’anticorpo viene “marcato” con una
sostanza fluorescente, per esempio la fluorescina, quando entrerà in contatto con la struttura cellulare specifica, la legherà rendendola osservabile grazie alla
propria luminescenza. Questa
viene prodotta quando le molecole della sostanza fluorescente
vengono eccitate dalla luce ultravioletta con cui si illumina il
campione.
SEM
Ha un potere di risoluzione di
10 nm. A differenza del TEM,
restituisce una visione tridimensionale dell’oggetto, grazie a
una diversa tecnica di costruzione dell’immagine. In questo ca-
Fig. 3 Microscopio elettronico a scansione (SEM).
a.
b.
generatore
generatore
di elettroni
generatore
del pennello
di elettroni
so sono gli elettroni del campione e non quelli del fascio a
fornire le informazioni da cui
verrà ricavata la rappresentazione dell’oggetto (fig. 3a).
Il fascio di elettroni proveniente
dal cannone non rimane fisso,
ma viene deviato da un generatore della scansione, in modo
da colpire, punto per punto in
tempi successivi, l’intera superficie del campione, che viene rivestita da un velo sottilissimo di
un metallo pesante. L’intera superficie del campione viene così analizzata.
Sottoposti alla scansione elettronica da parte del fascio, gli
elettroni del campione acquistano energia, rompono i legami atomici e producono dei segnali che vengono poi misurati
da un rivelatore e visualizzati
su uno schermo televisivo (fig.
3b).
Questo tipo di microscopio
consente di osservare campioni
di dimensioni assai diverse, da
microscopici insetti a parti di
cellule. Lo spessore del campione ha minore importanza rispetto al TEM, in quanto gli elettroni non lo attraversano ma ne
scansionano la superficie (fig.
3c).
Microscopio a forza
atomica (AFM)
Tra i molti altri tipi di microscopi, si distingue il microscopio a
forza atomica (AFM), dotato di
un potere risolutivo di circa
2 nm. Appartiene alla famiglia
dei microscopi a sonda. Questi,
a differenza dei microscopici ottici ed elettronici, sfruttano l’interazione tra una sonda miscrosopica e una piccola porzione
della superficie di un campione
per ottenere un’immagine tridimensionale dell’oggetto (fig.
4a).
Nell’AFM, gli strati atomici superficiali del campione vengono
scansionati da una puntina posta all’estremità di una leva, che
a sua volta si flette quando la
puntina incontra le sporgenze
e le rientranze del campione.
I movimenti della leva vengono
misurati da un rivelatore (fig.
4b) e tradotti da un elaboratore
in immagini tridimensionali
particolarmente dettagliate (fig.
4c).
Fig. 4 Microscopio a forza atomica (AFM).
a.
b.
del fascio
di elettroni
rilevatore della
deflessione
della sonda
condensatore
microleva
sonda
deflettore del
fascio
campione
schermo
visore
rivelatore
c. Microfotografie
di spermatozoi
al SEM
ricettore
diffusione
di elettroni del campione
c. Microfotografie
di spermatozoo all’AFM
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Lo studio della patologia cellulare conferma
che ogni cellula si forma da un’altra cellula
Un importante contributo alla teoria cellulare fu quello del
medico Rudolf Virchow (1821-1902). Anch’egli tedesco, si dedicò allo studio delle patologie delle cellule. Completò nel 1858 la
teoria cellulare, stabilendo che tutte le cellule nascono dalla divisione di cellule preesistenti e non per generazione spontanea da sostanza inanimata. Nel 1855 sintetizzò i suoi risultati
nell’aforisma in latino “omnis cellula e cellula”, ossia “ogni cellula proviene da una cellula”. In particolare, attraverso i suoi
studi di patologia cellulare, egli confutò l’ipotesi allora dominante che dai fluidi intercellulari si generassero nuove cellule.
Considerò quei fluidi, piuttosto, il prodotto dell’attività metabolica delle cellule stesse, analizzabile dal punto di vista chimico e fisico.
Fig. 4 Dimensioni di alcune strutture molecolari, cellulari
e di alcuni viventi sulla scala logaritmica.
Scienza VIVA
Oggi sappiamo che le cellule dei viventi attuali
hanno un antenato comune
Alla luce della teoria dell’evoluzione, pubblicata dal naturalista Charles Darwin nel 1859, l’anno successivo alla formulazione della teoria cellulare, si poté infine affermare che ogni
cellula possiede una sua “storia”.
Come dietro ognuno di noi si estende una catena ininterrotta di antenati, così dietro la cellula si estende una catena
ininterrotta di cellule originatasi a partire dalla loro comparsa
sulla Terra. Divenne più facile comprendere come da un’unica
cellula fondatrice potessero derivare i miliardi di cellule che
formano l’embrione prima e l’organismo adulto poi, e come i
germi potessero svilupparsi e invadere i tessuti dei loro ospiti.
La teoria cellulare riconobbe nei batteri i viventi più semplici e definì un quadro generale che orientò ricerche successive assai feconde.
VERIFICA FLASH
Cruci WEB
1. Quali sono i concetti chiave della teoria cellulare
che scaturì dalle osservazioni di Schleiden e Schwann?
2. Quale fu il contributo di Virchow alla teoria cellulare?
CHIAVE
DI LETTURA
3. Quale barriera abbatté la teoria cellulare? Perché?
3. Le dimensioni delle cellule
Le cellule hanno grandezze variabili che vanno
da 2 micrometri a diversi metri
Per valutare le dimensioni delle cellule si deve ricorrere
a unità di misura appropriate, cioè ai sottomultipli del metro
come il micrometro (1µm = 10 – 6 m), il nanometro (1 nm = 10–9
m) e l’angstrom (1Å = 10 –10 m). Il diametro delle cellule in media si aggira tra i 10 e i 20 µm, ma non mancano esempi che
superano questi valori o che se ne collocano al di sotto (fig. 4).
86
La cellula batterica, per esempio, è la più piccola in assoluto e misura 2 µm. La cellula del lievito, microrganismo ben
noto per la sua capacità di provocare il fenomeno della lievitazione del pane (ne parleremo a proposito della fermentazione),
si aggira invece sui 5 µm. Un globulo rosso ha un diametro di
7 µm mentre le cellule appartenenti ad animali pluricellulari
hanno diametri medi che vanno da 10 a 30 µm.
Fa eccezione la cellula uovo che, nella specie umana, raggiunge i 100 µm, ovvero la dimensione di una punta di spillo, e
pertanto sfiora la soglia della visibilità (fig. 5).
Infine, vi sono casi di cellule che si sviluppano particolarmente in lunghezza. La Caulerpa taxifolia, un’alga nota per es-
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Fig. 5 Dimensioni di diversi tipi di cellule a confronto.
Cellula
epiteliale
intestinale
villo
Cellula del
legno di un
albero
rafforzamento
della parete
cellulare
Globulo
rosso
Cellula urticante di
anemone di mare
filamento
scaricato
villo
cnidociglio
nucleo
8 µm
15 µm
60 µm
50 µm
cnidociglio
6 µm
Cellula
adiposa
nucleo
Cellula nervosa
Chla
lipide
60 µm
dendriti
flagello
corpo cellulare
assone
cloroplasto
100 µm 1 m
100 µm
terminali
assonici
sere sfuggita dall’Acquario di Montecarlo nel 1984 e per essersi
diffusa rapidamente nel Mar Mediterraneo, possiede espansioni simili a foglie, formate da una sola cellula plurinucleata di
vari metri di lunghezza (fig. 6). Anche nei vertebrati si trovano
cellule di notevole lunghezza. Le cellule nervose, per esempio,
con i loro prolungamenti possono superare il metro di lunghezza.
mici. Dunque, la grandezza delle cellule è vincolata a un limite
inferiore: non può mai scendere sotto il valore minimo indispensabile per contenere quelle sostanze. Nel caso di alcuni batteri, i micoplasmi, questo valore corrisponde alla concentrazione tipica dei piccoli metaboliti, pari all’incirca a 6000 molecole.
Le cellule non possono scendere sotto una
certa grandezza per ragioni metaboliche
Cellule di piccole dimensioni si rivelano più efficienti e veloci nell’incamerare i nutrienti e nell’espellere le sostanze di
scarto di cellule grandi: per questa ragione sono state selezionate nel corso dell’evoluzione.
La velocità di assorbimento e di espulsione delle molecole dentro e fuori la cellula dipendono infatti dall’estensione della superficie cellulare. La loro distribuzione interna è legata invece al volume cellulare. Se la cellula può contenere al suo interno più sostanze di quante non ne riesca a gestire, sia in entrata sia in uscita, avrà difficoltà a nutrirsi, a liberarsi dagli
scarti e a mantenere costante il proprio ambiente interno. Per
evitare ciò, la superficie della cellula non deve essere troppo
piccola rispetto al suo volume. In altre parole, il rapporto superficie/volume cellulare, o superficie relativa deve essere il più alto possibile. Questa condizione si verifica nelle cellule di piccole dimensioni.
Infatti, quando la cellula, come un cubo o una sfera, si
accresce, il suo volume aumenta più rapidamente della superficie e il rapporto superficie/volume diminuisce rapida-
Ogni cellula per vivere deve concentrare e organizzare molecole le cui dimensioni dipendono da parametri fisici non modificabili, come la lunghezza dei raggi atomici e dei legami chi-
Fig. 6 L’alga
Caulerpa taxifolia.
Le cellule sono rimaste piccole per mantenere
scambi efficaci con l’esterno
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mente (fig. 7). Il risultato è uno squilibrio nutrizionale sempre maggiore, in quanto la superficie non riesce a garantire
scambi con l’ambiente adeguati alla nuova massa cellulare.
Accade qualcosa di analogo quando viene ingrandito un
mezzo di trasporto per accogliere più persone, ma le dimensioni e il numero delle porte per l’entrata e l’uscita rimangono invariati.
Le dimensioni delle cellule variano in funzione
della loro attività
Abbiamo visto che in una cellula troppo grande le sostanze nutritive richiederebbero tempi troppo lunghi per diffondere dalla superficie all’interno. Altrettanto inefficace risulterebbe l’allontanamento delle sostanze di rifiuto. Ciò spiega anche
perché una cellula impegnata in un’attività intensa, e quindi in
scambi rapidi con l’ambiente, è tendenzialmente più piccola rispetto a una cellula meno attiva.
Le attivissime cellule della radice di una pianta, per esempio, hanno un diametro che va dai 20 ai 30 µm, mentre le cellule in fase di riposo sono anche 10 volte più grandi, a causa
della formazione di un grande vacuolo al loro interno. In una
cellula troppo grande anche le funzioni di controllo del nucleo
diventerebbero insufficienti, poiché la zona su cui questo dovrebbe esercitare la propria influenza diventerebbe eccessivamente ampia. Ecco il motivo per cui alcune cellule molto grandi sono talvolta plurinucleate, come abbiamo visto a proposito dell’alga Caulerpa.
Alcune cellule aumentano la superficie relativa
attraverso ripiegamenti o variazioni di forma
La cellula procariote, tipica dei batteri, è in media così
piccola che la sua superficie relativa è grande, sufficiente quindi a garantirle scambi ottimali con l’ambiente. Quella eucario-
te, compensa invece la sua maggior grandezza arricchendo la
superficie esterna di increspature e proiezioni a forma di dito,
i villi.
In generale, se una cellula svolge una funzione che le richiede un’area di superficie maggiore di quella consentita dal
suo volume, ricorre all’espediente di ripiegare più e più volte le
proprie membrane. Le cellule dell’intestino, per esempio, per
aumentare la propria superficie assorbente, si ripiegano in
molti microvilli. Esse funzionano in modo simile a un asciugamano di spugna, che ottimizza la sua area di contatto con l’acqua e dunque la sua capacità di assorbimento, componendosi
di centinaia di piccoli nodi.
All’occorrenza, cellule più grandi della media possono
presentare una forma non sferica, ma a seconda dei casi, isodiametrica, allungata, radiale. In questo modo, nonostante
l’aumento di dimensioni, riescono a mantenere corta la via seguita dagli “alimenti” per diffondere sino alle parti più interne
della cellula, e si avvantaggiano di una superficie interna più
estesa di quella di una cellula sferica (fig. 8). Infatti queste forme, a parità di massa e volume, possiedono una superficie
maggiore della sfera (fig. 9).
L’ottimizzazione della superficie relativa
caratterizza il vivente a tutti i livelli
La tendenza a mantenere alto il rapporto superficie/volume
si manifesta nei viventi a tutti gli ordini di grandezza: da quello
macroscopico dell’organo a quelli microscopici del tessuto e
della cellula a quello ultramicroscopico dell’organulo cellulare
(fig. 10).
Fig. 8 Forme di cellule che ottimizzano la superficie relativa
meglio della sfera.
Fig. 7 Il rapporto superficie/volume delle cellule
è tanto più alto quanto più queste sono piccole.
Scienza VIVA
S = 6l2
l = 5 μm
VACUOLO
l = 20 μm
V = l3
l = 10 μm
citoplasma
8 cellule di lato 5 μm 8 cellule di lato 10 μm
S = 1200 μm2
S = 4 800 μm2
V = 1000 μm3
V = 8 000 μm3
S/V = 1,2
S/V = 0,6
64 cellule di lato 5 μm
S = 9 600 μm2
V = 8 000 μm3
S/V = 1,2
88
Il rapporto S/V di un volume totale,
all’aumentare del numero delle
cellule che lo occupano, cresce.
Il rapporto S/V di una cellula, all’aumentare delle sue dimensioni, diminuisce
1 cellula di lato 5 μm 1 cellula di lato 10 μm 1 cellula di lato 20 μm
S = 150 μm2
S = 600 μm2
S = 2 400 μm2
V = 125 μm3
V = 1000 μm3
V = 8 000 μm3
S/V = 1,2
S/V = 0,6
S/V = 0,3
cellula isodiametrica
con molti prolungamenti
cellula con grande cavità interna
piena d’acqua
cellula allungata di dimensioni macroscopiche
in una direzione e microscopiche nelle altre due.
via che gli alimenti devono seguire per diffondere nelle parti più interne.
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Fig. 9 Modi per aumentare la superficie di un solido a partire da
una sfera, lasciando inalterati massa e volume.
Fig. 10 Tendenza dei viventi ad aumentare la superficie relativa
a diversi ordini di grandezza.
Forma sferica, ma cava all’interno.
1 cm
livello
macroscopico
Foglia intera
forma laminare
con alto rapporto
superficie/volume
VUOTO
Forma ancora isodiametrica:
l’aumento è ottenuto
attraverso rientranze
e sporgenze.
Superficie liscia,
ma forma allungata
prevalentemente
in una direzione.
DIMENSIONI
0,5 mm
livello
microscopico
Sezione della
foglia
ampie superfici
di cellule
si affacciano
su una rete
di spazi
intercellulari
interni
10 μm
livello
microscopico
Cellula
del tessuto
fotosintetico
la materia vivente
non è uniforme,
ma strutturata
in organuli
che appaiono
nettamente
delimitati.
Sfera massiccia isodiametrica:
superficie liscia senza rientranze e sporgenze.
Gli organismi nella loro interezza risolvono il problema
delle loro grandi dimensioni attraverso l’organizzazione cellulare. Invece di formare grandi masse uniche suddividono il
proprio organismo in più cellule. Niente fantascientifiche amebe giganti che fagocitano interi edifici, quindi, ma organismi
fatti di tante più cellule quanto più sono grandi.
In questo modo i viventi aumentano sia la loro superficie
di contatto con l’esterno, sia la velocità di ingresso e di uscita
delle sostanze dal loro corpo (fig. 11). Infatti, il movimento delle molecole è più veloce negli spazi intercellulari che all’interno della sostanza vivente.
1 μm
livello
ultramicroscopico
Organulo
cellulare singolo
(cloroplasto)
contiene
un complicato
sistema
di membrane
interne alle quali
è legata
la clorofilla.
ORGANISMO
SUDDIVISO IN CELLULE
ORGANISMO
FORMATO DA UN’UNICA MASSA
DI MATERIA VIVENTE
Molecole che entrano
ed escono dall’organismo
Fig. 11
La pluricellularità
garantisce
ai viventi
una migliore
interazione
con l’ambiente
esterno.
Superficie di contatto
con l’esterno
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CHIAVE
DI LETTURA
Da quanto detto è evidente che le dimensioni delle cellule non
hanno alcun rapporto con le dimensioni dell’organismo. Dunque, le cellule di un grosso ippopotamo o di un’imponente sequoia non sono più grandi di quelle di una formica o di un esile filo d’erba.
L’uniformità nelle dimensioni cellulari, a eccezione delle cellule uovo, che sono inattive e devono la loro dimensione abnorme alle riserve nutritive che contengono, è anche indice della
loro comune origine.
VERIFICA FLASH
Cruci WEB
1. Come varia il rapporto tra superficie e volume di una cellula al variare delle sue dimensioni?
2. Perché le cellule hanno dimensioni così ridotte?
CHIAVE
DI LETTURA
3. Le cellule attive hanno una dimensione differente da quelle inattive? Se sì, di che tipo?
4. Forme, funzioni e numero
delle cellule
La forma di una cellula è strettamente
collegata alla sua funzione
Le forma delle cellule generalmente è in rapporto con le funzioni che esse svolgono. Ruffini, famoso biologo nato nel 1864, affermò che “la forma è l’immagine plastica della funzione”. Tutte le
cellule di un organismo derivano da un’unica cellula, lo zigote o uovo fecondato. Da qui traggono origine, attraverso un processo
chiamato di “differenziamento cellulare”, cellule tra loro differenti per forma, dimensione, composizione chimica, funzione.
Il numero delle cellule contenute nei viventi ne
determina la grandezza
Abbiamo visto che è il numero delle cellule, e non la loro
dimensione, a essere responsabile della diversa grandezza degli organismi. Negli organismi grandi il numero delle cellule è
molto più elevato rispetto a quello negli organismi piccoli.
Si stima, per esempio, che nell’uomo adulto, a esclusione
delle cellule del sangue, ci siano circa 1013 cellule (figura 12).
CHIAVE
DI LETTURA
Un elevato numero di cellule permette agli organismi di:
regolare meglio l’ambiente interno;
rinnovare le singole cellule, estendendo così la vita dell’organismo aldilà di quella della singola cellula;
avere cellule specializzate che svolgono in modo ottimale
funzioni molto diverse: dalla locomozione alle attività neurali.
Diventare pluricellulari è quindi un modo particolarmente significativo di diventare grandi.
VERIFICA FLASH
Cruci WEB
1. Spiega quale rapporto c’è tra la forma dei globuli rossi e la
loro funzione.
CHIAVE
DI LETTURA
2. Che legame c’è tra il numero di cellule di un organismo vivente e la sua complessità?
Fig. 12 Le cellule, specializzandosi, cambiano volto: assumono strutture diverse per compiere funzioni diverse.
NEURONE È l’unità funzionale
del tessuto nervoso. Presenta
più prolungamenti che si
dipartono dal corpo cellulare e
che sono fondamentali per la
ricezione e la trasmissione
degli impulsi.
CELLULE ASSORBENTI
DELL’INTESTINO Prelevano
dal lume intestinale le
sostanze nutritive
scomposte dalla digestione
e le immettono nel sangue.
Presentano i villi, numerosi
ripiegamenti della
membrana rivolta verso il
lume intestinale, che
consentono di ampliare
notevolmente la superficie
assorbente della cellula e di
rendere l’assorbimento più
rapido.
90
GLOBULI ROSSI Sono
Scienza VIVA
responsabili del trasporto
dell’ossigeno: nell’uomo lo
prelevano a livello polmonare e lo
trasportano a tutte le cellule del
corpo. Sono piccoli dischi
concavi, più sottili al centro. Ogni
cellula perde precocemente il
nucleo per riempirsi di emoglobina, una proteina
capace di legare l’ossigeno e trasportarlo. Piccoli e
flessibili, riescono a insinuarsi nei più sottili capillari
sanguigni, assicurando il corretto apporto
di ossigeno ad ogni cellula.
SPERMATOZOO È una cellula
piccola, di forma affusolata,
formata da una testa dove è
racchiuso il nucleo con il materiale
ereditario, un collo e una coda
necessaria al suo movimento alla
ricerca della cellula uovo. Ha il
compito di fondersi con l’ovulo
femminile per iniziare il processo
di riproduzione.
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Ricerca
Verso la biologia molecolare
Con la nascita
della biochimica
e della genetica
la biologia diventa
una scienza
sperimentale
ca. Con la nascita di queste
due branche, la biologia, da
un passato dedicato alla osservazione delle forme, diventa una scienza sperimentale.
Inizialmente la biochimica si
occupò di purificare i diversi
costituenti cellulari per scoprirne la natura chimica e il tipo di reazioni cui andavano incontro. La genetica invece af-
La teoria cellulare elaborata
tra il 1830 e il 1840 e la teoria
evolutiva (1859) permisero lo
sviluppo di due nuove discipline: la biochimica e la geneti-
2001
2000
progetto genoma umano
biotecnologie
1975
BIOLOGIA
MOLECOLARE
Watson e Crick
propongono la struttura
a doppia elica del DNA
1950
ciclo di Krebs
1925
microscopio
elettronico
cristallizzazione
enzima
La biologia
molecolare svela
i meccanismi
biochimici interni
alla cellula
1900
1875
Buchner
Glicolisi
Pasteur collega
gli organismi viventi
a processi specifici
1850
1825
Mendel scopre
le leggi
fondamentali
della genetica
sviluppo
delle
tecniche
di colorazione
fermentazione
GENETICA
Schleiden
e Schwann
formulano
la teoria
cellulare
BIOCHIMICA
1800
1700
1600
frontò, con Gregor Mendel, il
problema della trasmissione
dei caratteri ereditari. Il lavoro
di Mendel, pubblicato nel
1865, venne trascurato dai
contemporanei: rimase ignorato per circa 35 anni, perché i
saperi allora a disposizione
non permettevano di coglierne appieno le potenzialità.
Negli anni in cui gli studi di
Mendel furono dimenticati, si
verificarono molti progressi
nel campo sia della microscopia che della citologia, l’ambito disciplinare che si occupa
dello studio della cellula (dal
greco kytos, contenitore e logos, studio). I risultati ottenuti
da Mendel vennero rivalutati
più avanti quando, grazie alla
scoperta dei cromosomi, si riuscì a darne una spiegazione
scientifica.
BIOLOGIA
CELLULARE
microscopio
ottico
occhio
nudo
Le principali tappe della biologia cellulare, della biochimica e
della genetica, e lo sviluppo della biologia molecolare.
A partire dagli anni Trenta del
secolo scorso, con il microscopio elettronico, venne messa a
fuoco l’organizzazione interna
della cellula e si poté osservare che strutture e organelli subcellulari erano comuni pressoché a tutte le cellule. Si cercò di
chiarire la funzione di ogni singolo organulo, che però spesso rimase oscura. Tra gli anni
Quaranta e Cinquanta del secolo scorso, vari studi permisero di affermare che i cromosomi erano chimicamente formati da DNA e che dunque
questa molecola era la sede
dell’informazione ereditaria.
Con la comprensione della
struttura molecolare del DNA
e il famoso modello “a doppia
elica” presentato da James
Watson e Francis Crick nel
1953, prende vigore la moderna biologia molecolare.
Questa branca di studio ha
permesso di descrivere la cellula come una macchina biochimica di grande complessità, in grado di organizzare al
suo interno strutture sofisticate e di realizzare processi biochimici molto complicati, grazie:
• all’informazione contenuta
nel suo DNA;
• alla capacità di utilizzare
energia che preleva dall’ambiente.
Qualsiasi macchina, del resto,
per essere costruita e per funzionare ha bisogno dell’informazione per mettere insieme
correttamente i vari pezzi, e di
energia che ne sostenga il funzionamento.
Con le biotecnologie
è oggi possibile
manipolare il DNA
a scopi terapeutici
L’avanzamento tecnologico
degli anni più recenti ha consentito infine la nascita delle
biotecnologie, che si interessano delle applicazioni di
quanto è stato acquisito nei
campi della biologia e della
chimica. Oggi nuove tecniche
permettono di manipolare il
DNA, isolandolo, tagliandolo,
trasferendolo da una cellula a
un’altra e riproducendone più
volte piccoli frammenti specifici per produrre beni, come i
farmaci, e servizi, come i controlli diagnostici, essenziali per
la nostra salute.
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ezione B 䊏 La cellula: l’unità del vivente
Questioni aperte
& Nuove frontiere
I virus, sospesi tra vita e non vita
Il pulviscolo atmosferico illuminato da un raggio di sole in una
stanza buia rivela un universo impalpabile di particelle solide e
di microscopiche gocce che il nostro occhio fatica a osservare.
Ci troviamo infatti al limite del potere risolutivo dell’occhio
umano, che si aggira intorno ai 50 micrometri: le dimensioni di
una capocchia di spillo.
I virus sono talmente piccoli che riescono a passare attraverso i
filtri di porcellana usati in laboratorio per eliminare i batteri dai
liquidi. Per questa ragione furono chiamati inizialmente filtrabili. Hanno dimensioni che si aggirano intorno a 18- 20 nm, anche
se i più grandi possono raggiungere i 450 nm e sovrapporsi così ai batteri più piccoli.
Cosa si nasconde sotto la soglia della visibilità?
Un mondo ricchissimo, fatto di granuli di polline, di cellule animali e vegetali (grandi 10-30 micrometri), batteri (grandi 1 micrometro circa), e, ancora più sotto, di virus (intorno agli 0,1 micrometri) e vari tipi di molecole (0,01 – 0,05 micrometri). Di tutto ciò l’uomo ha saputo poco o nulla fino all’avvento del microscopio. Sono duecento anni che conosciamo i batteri, solo cento che conosciamo i virus e un paio di decenni solamente che
conosciamo i prioni, semplici molecole proteiche in grado di
autoriprodursi.
Quali caratteristiche possiedono gli abitanti di
questo mondo microscopico?
Consideriamo per esempio i virus (fig. 1). Sono responsabili di
circa il 60% delle malattie infettive oggi note: dalle più banali,
come il raffreddore, alle più gravi come l’AIDS, le patologie
emorragiche indotte da virus emergenti come Ebola o le influenze aviarie che periodicamente minacciano di trasformarsi
in pericolose pandemie. Sono inoltre coinvolti in alcune forme
di cancro.
involucro lipidico
Ma cosa sono i virus?
Gli scienziati non hanno ancora dato una risposta definitiva a
questa domanda.
Nel corso di tutto il ‘900 li hanno definiti in molti modi diversi.
Inizialmente li hanno ritenuti dei veleni, come risulta ancora dal
nome (dal latino virus, veleno). Successivamente li hanno considerati batteri piccolissimi. Al pari dei batteri, infatti, i virus sono all’origine di molte malattie e si trasmettono con facilità da
un individuo all’altro. Nel 1935 si giunse per la prima volta a cristallizzarne uno, il virus del mosaico del tabacco: da allora questi piccolissimi agenti patogeni cominciarono a essere considerati sostanze chimiche di natura biologica.
Studi successivi hanno chiarito che i virus sono costituiti da materiale ereditario racchiuso in un involucro proteico, ma che risultano del tutto privi delle strutture necessarie per svolgere le
molte attività metaboliche tipiche di una cellula. Più che organismi viventi, i virus apparivano dunque aggregati di molecole chimiche.
molecola di RNA
proteine dell’involucro
Fig. 1 Nella figura
a fianco, micrografia
elettronica del virus
H5N1 dell’influenza
aviaria, responsabile
di episodi epidemici
a partire dal 1996 e,
a destra, virus
dell’influenza suina,
un tipo di influenza
identificata nel corso
del 2009.
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apitolo 4 䊏 La cellula: struttura e funzioni
Fig. 2 La propagazione
del prione a livello
cellulare: al contatto
con il prione patogeno,
la forma normale della
proteina è “costretta”
ad assumere una
configurazione
di tipo patogeno.
forma patogena
della proteina
forma normale
soggetta
a modificazione
forma non patogena
della proteina
Dunque il virus si colloca sotto la soglia
della vita?
Quale ruolo giocano i virus sul piano
evolutivo?
Non proprio. La sua particolarità consiste nel fatto che, a seconda del contesto in cui si trova, manifesta caratteristiche e comportamenti diversi.
Quando entra nella cellula ospite, abbandona la staticità chimica e manifesta un’attività notevole. Dopo essersi liberato dell’involucro integra il proprio acido nucleico con quello della cellula alla quale si fissa. In questo modo sfrutta i meccanismi riproduttivi dell’ospite per replicare il proprio materiale ereditario e sintetizzare le proteine del proprio involucro. Dall’assemblaggio del nuovo materiale ereditario e delle nuove proteine
prodotte scaturiscono così nuovi virus che potranno a loro volta infettare altre cellule, propagando l’infezione. Ecco perché
oggi diversi studiosi tendono a collocare i virus in una sorta di
limbo tra vita e non vita.
Per quel che ci riguarda, essi ci hanno selezionati attraverso le
malattie con cui ci affliggono da sempre. Hanno così favorito la
sopravvivenza degli individui meno sensibili o resistenti ai loro
attacchi.
Essi presentano caratteristiche che li rendono un’importante fonte di innovazione genetica. Infatti, possiedono materiale ereditario facilmente modificabile; sono capaci di colonizzare l’ospite,
talvolta dopo lunghi periodi di quiescenza, inserendovi il loro acido nucleico; possono viaggiare da un organismo all’altro.
Non è ancora chiaro tuttavia se i virus rappresentino un “incidente di percorso” nel corso dell’evoluzione o se siano stati
prodotti dalle cellule stesse per la messa a punto di schemi genetici vincenti.
Perché allora non li consideriamo organismi
viventi?
Perché in fase di “riposo”, per esempio quando si trovano negli aggregati cristallini, essi si presentano come delle inerti sostanze minerali. Tuttavia dispongono degli stessi acidi nucleici
e delle stesse proteine presenti nelle cellule, e all’interno di
queste si comportano come esseri viventi, riproducendosi a
migliaia. Qualche scienziato li considera gruppi di geni di cellule ospiti riusciti, non si sa ben come, a uscire dalla cellula stessa acquisendo in qualche modo un involucro proteico. Secondo questa ipotesi, i virus sarebbero dei “fuggiaschi” degenerati in parassiti.
Il passato dibattito sul loro collocamento rispetto al confine “vita/non vita” ha posto comunque in secondo piano un aspetto
cui oggi si tende a dare una grande importanza e cioè la funzione da essi svolta nel corso dell’evoluzione.
Esiste un’altra forma difficilmente
classificabile, nel mondo microscopico?
Sì, il prione (25 nm), responsabile del cosiddetto morbo della
mucca pazza o malattia di Creutzfeldt-Jakob. Questo agente
patogeno, a differenza del virus, è costituito solo da una proteina, dunque è privo anche di acido nucleico.
Come fa allora il prione a riprodursi?
Più che riprodursi il prione anomalo “contagia” e modifica la
proteina “sana” (fig. 2).
Nel nostro organismo è infatti fisiologicamente presente una
forma non infettiva del prione, che svolge una funzione legata
al sistema nervoso. Questa forma normale, quando entra in
contatto con quella patogena, da cui differisce solo per la configurazione spaziale, assume una struttura del tipo patogeno.
I prioni così modificati si legano poi in fibrille non degradabili
che si accumulano nel cervello dell’organismo infettato e lo
danneggiano in modo irreparabile.
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ezione B 䊏 La cellula: l’unità del vivente
Le cellule
Le cellule sono gli elementi
costitutivi di tutti i viventi,
e li accomunano nella diversità.
a occhio nudo
al microscopio
appaiono diversi
appaiono simili
Per lo più di grandezza uniforme, sono presenti nei
diversi organismi in numero differente.
Sono le più piccole unità funzionali capaci
sia di vita indipendente, sia di vita d’insieme.
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apitolo 4 䊏 La cellula: struttura e funzioni
Hanno forme
e dimensioni che
variano a seconda
della funzione che
svolgono.
TIPO DI
CELLULA
SPERMATOZOO
NEURONE
GLOBULO ROSSO
DIMENSIONE 5-10 ␮m
100 ␮m
8 ␮m
FORMA
È una cellula piccola
e affusolata, formata
da una testa, un collo,
una coda
Presenta più prolungamenti
che si dipartono dal corpo
cellulare
È un piccolo disco
concavo, più sottile
al centro
FUNZIONE
Ha il compito di fondersi
con l’ovulo femminile
per iniziare il processo
di riproduzione
È l’unità funzionale del
tessuto nervoso.
È responsabile della ricezione
e della trasmissione
degli impulsi nervosi
È responsabile del
trasporto dell’ossigeno:
nell’uomo lo preleva
a livello polmonare
e lo trasporta a tutte
le cellule del corpo
S = 6l2
l = 20 μm
V = l3
Hanno conservato
dimensioni piccole
per mantenere alto
il rapporto S/V
e poter intrattenere
scambi efficaci
con l’ambiente.
Derivano
ciascuna da un’altra
cellula e tutte, su scala
evolutiva, da una primordiale cellula
fondatrice.
l = 5 μm
l = 10 μm
Il rapporto S/V di una cellula, all’aumentare delle sue dimensioni, diminuisce
1 cellula di lato 5 μm 1 cellula di lato 10 μm 1 cellula di lato 20 μm
S = 150 μm2
S = 600 μm2
S = 2 400 μm2
3
3
V = 125 μm
V = 1000 μm
V = 8 000 μm3
S/V = 1,2
S/V = 0,6
S/V = 0,3
8 cellule di lato 5 μm 8 cellule di lato 10 μm
S = 4 800 μm2
S = 1200 μm2
V = 1000 μm3
V = 8 000 μm3
S/V = 1,2
S/V = 0,6
64 cellule di lato 5 μm
S = 9 600 μm2
V = 8 000 μm3
S/V = 1,2
Il rapporto S/V di un volume totale,
all’aumentare del numero delle
cellule che lo occupano, cresce.
e
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verso la cellula eucariote
microtubuli
anello di DNA
introflessione
lisosoma
parete cellulare
membrana nuda
vescicola
intracellulare
fibre
di actina
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esercizi
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ezione B 䊏
SAPERE
SAPER FARE
Rispondi alle seguenti domande.
Indica il completamento corretto.
1. Quali sono i punti fondamentali della teoria cellulare?
2. Quali sono le unità di misura utilizzate per le dimensioni
cellulari?
3. Perché l’aumento delle dimensioni corporee si realizza
attraverso la pluricellularità e non anche attraverso
un aumento delle dimensioni cellulari?
4. Che cosa si intende per “differenziamento cellulare”?
5. Quale ruolo svolgono le cellule negli organismi
viventi?
6. Indica almeno una delle funzioni fondamentali che
la cellula svolge.
7. Qual è la forma dei globuli rossi? In che modo è legata
alla loro funzione?
8. Qual è il limite inferiore sotto il quale non può scendere
la grandezza delle cellule?
9. In che modo la teoria evolutiva ha contribuito alla
comprensione della cellula?
10. Da che cosa deriva ciascuna cellula?
25. Le dimensioni medie di una cellula batterica sono:
c di circa 2 µm
a maggiori della cellula eucariote
b di circa 0,2 µm
d sono di circa 0,2 mm
26. Per aumentare la propria superficie interna alcune cellule:
a diventano plurinulceate
b si ripiegano in microvilli
c si organizzano in tessuti
d aumentano il numero degli organuli
Rispondi alle domande e calcola le equivalenze.
27. Quanto è grande in media la cellula batterica?
………………......... nm =………………......... µm = …….……….........mm
28. Quanto può essere grande una cellula animale?
………………......... Å = ………………......... µm = …….………......... m
29. Quanto è grande all’incirca una cellula uovo umana?
……………….........µm = ………………......... cm = …….………......... nm
Vero o falso?
11. Secondo la teoria cellulare tutte le cellule
hanno origine da cellule preesistenti.
12. Il rapporto superficie/volume pone un limite
alle dimensioni massime delle cellule.
13. Hooke scoprì le cellule vegetali vive.
14. Le cellule non possono superare una certa
grandezza.
15. Lo spermatozoo ha prolungamenti ottimizzati
per la trasmissione degli impulsi nervosi.
16. Nella materia vivente le molecole si muovono
più velocemente che negli spazi intercellulari.
17. Le cellule sono capaci di vita autonoma.
18. Tutte le cellule presenti in uno stesso organismo
hanno all’incirca la stessa grandezza.
19. Gli organuli cellulari non sono le più piccole
unità funzionali del vivente.
20. Gli organismi di grandi dimensioni hanno cellule
più grandi degli organismi piccoli.
V
F
V
F
V
F
V
F
V
F
V
F
V
F
V
F
V
F
V
F
Individua il soggetto delle seguenti
affermazioni.
21. ................................................................................... chiamò celle le cavità
del sughero viste al microscopio.
22. ................................................................................... formulò la teoria
cellulare.
23. ................................................................................... affermò che ogni cellula
deriva da una cellula preesistente.
24. ................................................................................... osservò per la prima volta i
batteri e gli spermatozoi umani.
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30. Quale grandezza può superare una cellula nervosa?
dm …….………......... = ………………......... µm = …….………......... km
Completa il brano scegliendo tra i termini
proposti.
Tieni presente che un termine può essere usato anche più di
una volta.
31. La suddivisone in …………......................……......... dà a un organismo
una grandissima …………......................……......... attraverso la quale
possono entrare e uscire le …………......................……......... di scambio.
Questa …………......................……......... sarebbe molto più
………….........................……...... in un organismo fatto di un’unica grossa
…………......................……......... non organizzata in ………….......................…..........
organi, massa, piccola, grande, molecole, tessuti, cellule,
superficie
Analizza e sintetizza.
32. Componi un testo lungo al massimo 70 parole, che sintetizzi
le caratteristiche fondamentali delle cellule, come descritte
dalla moderna teoria cellulare. Utilizza almeno 3 dei termini
seguenti: diversità, origine, autonoma, microscopio, evolutivo, funzionale, biologiche.
33. Leggi e analizza il seguente brano di Rudolf Virchow.
La cellula presuppone l’esistenza di una cellula, allo stesso
modo in cui la pianta non può provenire altro che da una
pianta e l’animale da un altro animale (...).
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esercizi
C
apitolo 4 䊏
A quale analogia ricorre Virchow per confutare l’ipotesi della generazione spontanea delle cellule? Su che cosa si regge questa
analogia? Che cosa si intende con “sviluppo continuo”?
10 μm
20 μm
Nell’intera serie degli esseri viventi, piante, animali o parti
costitutive di questi due regni, c’è una legge eterna, ed è
quella dello sviluppo continuo. Lo sviluppo non può conoscere discontinuità; una generazione non saprebbe dare inizio per conto suo a una serie di nuovi sviluppi.
1 cellula
S = 2.400 μm2
V = 8.000 μm3
S/V = 0,3
2 μm
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8 cellule
S = .....................
V = .....................
S/V = .....................
1000 cellule
S = .....................
V = .....................
S/V = .....................
SAPER INTERPRETARE
... IN PIÙ SUL WEB
Completa il grafico con i valori mancanti
e spiegalo.
34. Il grafico illustra il variare del rapporto superficie/volume di
una sfera al diminuire del raggio.
a Ricava dal grafico la lunghezza del raggio di ogni singola
sfera e calcolane il rapporto tra superficie e volume.
b Il grafico può essere utilizzato per spiegare una delle
caratteristiche fondamentali delle cellule. Quale? Perché?
E-Trainer.
Verifica la tua preparazione con gli esercizi interattivi.
In laboratorio
36. Uso del microscopio
37. Osservazione dei batteri dello yogurt
raggio (r)
2
PICCOLO DIZIONARIO MEDICO
1,5
Definisci il termine incontrato nel capitolo.
1
38. Biotecnologie
0,5
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
0
.................................................................................................................................................................
5
rapporto superficie/volume (S/V)
Effettua una ricerca su Internet.
39. Indica almeno un contributo offerto dalle biotecnologie
alla medicina e alla farmacologia.
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
S = 50,24
V = 33,49
S = 12,56
V = 4,19
S = 3,14
V = 0,52
Interpreta l’immagine e rispondi alle domande.
35. Osserva la figura, riempi i campi vuoti e rispondi infine alle
domande.
a Che cosa succede al volume totale: diminuisce, rimane
inalterato o aumenta? E alla superficie?
b Che cosa illustra dunque la sequenza?
.................................................................................................................................................................
Rifletti sul metodo che hai seguito nella ricerca
delle informazioni.
40. Quanti e quali fonti hai consultato?
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
97