ORIGINE DELLA VITA E COMPARSA DELLE PRIME CELLULE
EUCARIOTE, ORGANISMI AUTOTROFI ED ETEROTROFI
Le proprietà associate ai sistemi viventi compaiono al livello di organizzazione
cellulare. Sono stati scoperti microfossili di cellule simili ai batteri che risalgono
a 3,5 miliardi d'anni fa. La loro complessità suggerisce che le prime cellule si
siano originate molto presto nella storia della Terra, probabilmente nel corso del
primo miliardo di anni. L'atmosfera primitiva conteneva i materiali grezzi della
materia vivente (idrogeno, ossigeno, carbonio e azoto) combinati in molecole di
vapore acqueo e di altri composti semplici. L'energia richiesta per spezzare le
molecole di questi gas e ricombinarle in molecole più complesse era disponibile
sotto forma di calore, di fulmini, di radiazioni solari ad alta energia e di elementi
radioattivi. Esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che in tali condizioni
possono essersi formati i tipi di molecole organiche caratteristici dei sistemi
viventi. Altri esperimenti hanno suggerito i tipi di processi mediante i quali
aggregati di molecole organiche avrebbero originato strutture tipo cellule,
separate dall'ambiente esterno da una membrana e capaci di conservare la
propria integrità strutturale e chimica.Le prime cellule potrebbero essere state
eterotrofe o autotrofe. I primi autotrofi potrebbero essere stati chemiosintetici
(cioè in grado di utilizzare l'energia liberata da reazioni inorganiche specifiche
per sintetizzare le loro molecole organiche) o fotosintetici (cioè in grado di
utilizzare l'energia solare per azionare le loro reazioni di sintesi). Con l'avvento
della fotosintesi, il flusso di energia attraverso la biosfera assunse l'attuale
aspetto dominante: l'energia radiante del Sole viene catturata dagli autotrofi
fotosintetici e, grazie a essi, convogliata verso gli organismi eterotrofi. Uno dei
principi fondamentali della biologia è la teoria cellulare, la quale stabilisce che:
1) tutti gli esseri viventi sono costituiti da una o più cellule; 2) le reazioni
chimiche di un organismo vivente, compresi i meccanismi di liberazione
dell'energia e le reazioni di biosintesi, hanno luogo dentro le cellule; 3) le cellule
si originano da altre cellule; e 4) le cellule contengono le informazioni ereditarie
degli organismi di cui fanno parte, e questa informazione passa dalla cellula
madre alla cellula figlia.
Ci sono due tipi distinti di cellule: procariote ed eucariote. Le cellule procariote
non hanno nucleo circondato da membrana e neppure molti degli organuli
presenti nelle cellule eucariote. I procarioti furono le uniche forme di vita
presenti sulla Terra per quasi 2 miliardi di anni e successivamente, circa 1,5
miliardi di anni fa, si evolvettero le cellule eucariote. Gli organismi
pluricellulari, che sono costituiti da cellule eucariote specializzate nel compiere
particolari funzioni, si sono evoluti in tempi relativamente recenti, circa 750
milioni di anni fa.
Sono stati distinti cinque regni di organismi. Gli organismi del regno delle
monere, che comprende i batteri e i cianobatteri, sono procarioti. Gli organismi
degli altri quattro regni (protisti, funghi, piante e animali) sono eucarioti. I
protisti comprendono organismi unicellulari, sia eterotrofi sia autotrofi, così
come un certo numero di semplici forme pluricellulari. I funghi sono eterotrofi
pluricellulari che ottengono le molecole organiche per assorbimento. Le piante
sono autotrofi fotosintetici pluricellulari, mentre gli animali sono eterotrofi
pluricellulari che ingeriscono altri organismi per ottenere le molecole organiche
necessarie.
A causa delle piccole dimensioni cellulari e del limitato potere di risoluzione
dell'occhio umano, per visualizzare le cellule e le strutture subcellulari è
necessario l'uso dei microscopi: i tre tipi principali sono il microscopio ottico, il
microscopio elettronico a trasmissione e il microscopio elettronico a scansione.
VITA E OPERE DI DARWIN:TEORIA EVOLUTIVA, FISSISMO E
CREAZIONISMO
Fino al XVIII secolo era generalmente accettata l'idea che le specie (termine con
il quale indichiamo i tipi di organismi) erano il risultato di una creazione divina
e che si erano mantenute invariate nel tempo. Questo concetto venne messo in
dubbio in seguito a diversi sviluppi scientifici: 1) la scoperta di un enorme
numero di nuove specie effettuata dai naturalisti europei che viaggiarono in
tutto il mondo; 2) gli studi di geologia che indicavano l'esistenza di un
cambiamento graduale e costante che agiva sulla superficie terrestre; 3) la logica
conseguenza che la Terra aveva avuto una lunga storia (senza la quale
l'evoluzione sarebbe stata impossibile); e 4) la scoperta della vera natura dei
fossili. Aristotele, il primo grande biologo della storia, credeva che tutti gli esseri
viventi potessero essere disposti in una scala gerarchica, cioè ordinata per
complessità crescente. In questa gerarchia (chiamata poi Scala Naturae «scala
della natura»), gli organismi più semplici occupano lo scalino più basso, l’uomo
quello più alto e tutti gli altri organismi si trovano in una posizione intermedia.
Fino al tardo Ottocento molti biologi credevano ancora nella validità di questa
scala gerarchica naturale. Secondo questa teoria, oggi chiamata fissismo, gli
organismi non hanno mai subito variazioni nel corso del tempo; Aristotele
pensava che gli organismi viventi fossero sempre esistiti, senza fare però alcun
riferimento alla loro origine. Più recentemente, alcune correnti di pensiero
sostengono (in accordo con gli insegnamenti del Vecchio Testamento) la teoria
del creazionismo, ovvero che tutti gli esseri viventi sono stati creati per un atto
divino così come sono oggi. Questa idea di immutabilità dei viventi presuppone
che ogni forma vivente abbia iniziato la sua esistenza già con le sue
caratteristiche attuali, create appositamente per potersi integrare perfettamente
nel luogo in cui essa vive. Lo scienziato francese Georges-Louis Leclerc de Buffon
(1707-1788) fu tra i primi a suggerire che le specie potessero subire dei
cambiamenti nel corso del tempo. Egli ipotizzò che, oltre alle numerose creature
prodotte per creazione divina all’inizio del mondo, col passare del tempo fossero
comparsi sulla Terra diversi organismi, frutto della degenerazione delle creature
iniziali perfette; per esempio gli attuali felini, come i leoni e i giaguari, sarebbero
la degenerazione di un felino «ideale». L’ipotesi di Buffon, per quanto vaga circa
il modo in cui questi cambiamenti potessero svolgersi, cercava di spiegare la
straordinaria varietà di esseri viventi del mondo attuale (o biodiversità). Darwin
non fu il primo a proporre una teoria evolutiva: il suo più importante
predecessore fu Jean-Baptiste de Lamarck, la cui teoria dell'evoluzione (oggi
ritenuta errata) era basata sull'ereditarietà dei caratteri acquisiti da un
organismo durante la sua vita. Darwin viaggiò intorno al mondo a bordo del
brigantino Beagle osservando piante e animali e tali osservazioni lo portarono
alla formulazione della sua teoria . La teoria di Darwin differiva dalle altre in
quanto essa considera il processo evolutivo suddiviso in due parti: 1) l'esistenza
in natura di variazioni ereditabili fra gli organismi e 2) il processo di selezione
naturale mediante il quale alcuni organismi, traendo vantaggio dalle loro
variazioni ereditate, riescono a produrre un maggior numero di figli rispetto ad
altri. La teoria di Darwin è considerata il più importante principio unificante
della biologia.
La scienza è il modo che abbiamo a disposizione per giungere alla conoscenza
del mondo naturale. I componenti fondamentali di tutti i processi scientifici sono
i seguenti: un'osservazione che induce a porsi una domanda, la formulazione di
un'ipotesi (che è un tentativo di risposta alla domanda), la previsione di ciò che
si potrebbe osservare se l'ipotesi è stata formulata in modo corretto in una
particolare combinazione di eventi, e la verifica delle previsioni effettuata
mediante ulteriori osservazioni. Le ipotesi che descrivono le relazioni esistenti
fra osservazioni diverse e che sono state controllate mediante verifiche ripetute e
impostate in maniera diversificata ,sono chiamate teorie. Le teorie forniscono un
supporto per ulteriori osservazioni, domande, ipotesi, previsioni e verifiche; esse
sono quindi sempre soggette a continue revisioni
COME SONO ORGANIZZATE LE CELLULE
Le prime strutture cellulari sono state descritte nelle piante nel Seicento e nel
Settecento. Intorno alla metà del Seicento, Marcello Malpighi nelle sue osservazioni
microscopiche aveva individuato nei tessuti vegetali corpuscoli che aveva chiamato
utricoli. La parola "cellula" fu introdotta pochi anni più tardi dallo studioso inglese
Robert Hooke che osservando al microscopio sottili fette di sughero, aveva notato
che ciascuna di esse era costituita da una rete di spazi apparentemente vuoti, simili a
piccole celle, che chiamò appunto "cellule".Tutte le forme di vita sono costituite da
una o più cellule.Le Cellule derivano solo da cellule preesistenti. La cellula è la
più piccola forma di vita. Le cellule eucariote possiedono al loro interno un
complesso sistema di membrane e vari organi in miniatura, detti organuli, che
permettono alle cellule di svolgere le loro attività. Sono inoltre caratterizzate da un
nucleo circondato da una membrana nucleare che contiene il materiale genetico
organizzato in elementi detti cromosomi.
Ciascuna cellula eucariota è racchiusa in una membrana il cui spessore può variare da
7 a 10 nanometri, cioè da 7 a 10 milionesimi di millimetro. Essa non è visibile con il
microscopio ottico mentre al microscopio elettronico appare come una sottile linea
doppia. Questa membrana plasmatica, o membrana cellulare, delimita l’estensione
della cellula e contribuisce a mantenerla separata dall’ambiente circostante; inoltre
controlla l’entrata di sostanze nutritive e l’uscita di quelle di rifiuto. I costituenti
principali della membrana plasmatica sono i lipidi o fosfolipidi, le proteine e, in
alcuni casi, i carboidrati. La membrana è ricoperta dal mantello cellulare, detto anche
glicocalice in quanto costituito da glicoproteine, coltre esterna morbida e flessibile
dotata di spiccate proprietà adesive e che al microscopio elettronico ha l’aspetto di
lanugine sfilacciata. I fosfolipidi della membrana sono molecole con un’estremità
idrofoba( o coda ) e una idrofila,(chiamata testa) sono quindi molecole anfipatiche,
che quando si trovano in mezzo a due soluzioni acquose, come l’interno e l’esterno
della cellula, interagiscono tra loro disponendosi in doppio strato, strato lipidico
bimolecolare o bilayer. All’inizio degli anni ’70 è stato proposto un modello della
struttura della membrana plasmatica detto modello trilaminare a mosaico, o di Singer
e Nicholson ,valido anche per le membrane interne alla cellula. La membrana
cellulare delle cellule eucariote è costituita quindi da un doppio strato di fosfolipidi
nel quale sono immerse delle molecole di proteine che svolgono funzioni ben
precise. Nella parte interna del doppio strato, oltre alle molecole proteiche, vi sono
molecole di colesterolo che contribuiscono a dare rigidità e stabilità alla membrana. I
carboidrati presenti nella membrana sono oligosaccaridi, ovvero brevi catene
costituite da poche molecole di zuccheri semplici. Queste catene sono a loro volta
legate a proteine o lipidi formando rispettivamente glicoproteine e glicolipidi. Le
proteine della membrana svolgono funzioni ben precise: alcune trasportano sostanze
specifiche all’interno e all’esterno della cellula, alcune formano canali o pori
attraverso cui possono passare molecole polari per le quali il doppio strato lipidico
costituisce una barriera, altre proteine funzionano da recettori, cioè da siti specifici a
cui si legano particolari sostanze come gli ormoni, altre ancora svolgono il ruolo di
catalizzatori di alcune reazioni enzimatiche.
La membrana plasmatica:
Funzioni:ricopre la cellula e la protegge dall’ambiente esterno; per vivere la cellula
ha bisogno di comunicare con le altre cellule, la membrana plasmatica ha anche il
compito di ricevere e inviare segnali tra cellule diverse; regola gli scambi con
l’ambiente esterno, cioè prende le sostanze che le servono per vivere e fa uscire le
sostanze che non le servono. Le sostanze passano attraverso la membrana plasmatica
attraverso 4 tipi di processi: trasporto attivo, diffusione, osmosi,fagocitosi.
Le molecole più piccole (es. ossigeno, anidride carbonica, glucosio, amminoacidi)
passano dalla membrana plasmatica attraverso il trasporto attivo e la diffusione;
L’ acqua passa dalla membrana plasmatica attraverso il processo di osmosi;
Le molecole più grandi passano attraverso il processo di fagocitosi.
Componenti:
1. Fosfolipidi
2. Proteine
3. Glicidi
4. Colesterolo
Citoscheletro
Un sistema di filamenti proteici, denominato citoscheletro, è presente nel citosol di
tutte le cellule animali e vegetali. Nelle cellule animali, che mancano di una parete
cellulare rigida, questo sistema ha un'importanza particolare, in quanto contribuisce a
mantenere la struttura e la forma della cellula. Il citoscheletro fornisce un'impalcatura
per l'organizzazione interna della cellula e un punto di ancoraggio per organuli ed
enzimi. Esso, inoltre, permette alla cellula di compiere alcuni movimenti. In molti tipi
di cellule il citoscheletro è una struttura dinamica, che viene continuamente
scomposta e riassemblata. E' costituito da tre tipi principali di filamenti proteici:
microtubuli, filamenti di actina e filamenti intermedi, connessi sia tra di loro che
con altre strutture cellulari grazie a numerose proteine accessorie.
Gli
organuli
cellula
Non tutte le cellule possiedono gli stessi organuli; negli organismi pluricellulari, a
seconda della specializzazione che assumono, potranno essere presenti numerose
eccezioni rispetto al modello base. Giusto per citare un esempio, i globuli rossi sono
strutture cellulari prive, a maturità, del nucleo.
Il nucleo: Il nucleo è considerato una piccola “centrale operativa”, cioè tutte le
attività che svolge la cellula dipendono dal nucleo. Intorno al nucleo c’è l’involucro
nucleare, cioè una membrana doppia che lo separa dal resto della cellula.
Nell’involucro nucleare ci sono i pori nucleari, cioè dei buchi che permettono gli
scambi con la parte fuori dal nucleo. Nel nucleo c‘è la cromatina, una sostanza che
al momento della riproduzione della cellula crea i cromosomi. I cromosomi
contengono il DNA, cioè l’insieme delle informazioni sulla vita e sulla struttura della
cellula. Queste informazioni sono fondamentali per la riproduzione della cellula, cioè
senza queste informazioni la cellula non riesce a riprodursi. Al centro del nucleo c’è
il nucleolo, che produce i ribosomi. I ribosomi servono a produrre le proteine.
Il citoplasma è la parte che circonda il nucleo. Il citoplasma contiene un liquido che
si
chiama citosol in cui sono immersi diversi organuli.
Reticoloendoplasmatico Una rete tridimensionale di sacche, dette cisterne,
delimitate da membrane e tra loro comunicanti, costituisce il reticolo endoplasmatico,
che rappresenta il compartimento cellulare dove avviene la sintesi di gran parte dei
componenti delle membrane, e dei materiali destinati a essere esportati
all'esterno della cellula. Pile di cisteme appiattite, anch'esse delimitate da membrane,
costituiscono, invece, l'apparato di Golgi, che riceve le molecole sintetizzate nel
reticolo endoplasmatico, le elabora e le indirizza a diversi siti interni o esterni alla
cellula.
Apparato di Golgi ha il compito di immagazzinare i materiali che servono alla
cellula; sposta i materiali all’interno della cellula. Nella cellula vengono
continuamente formate e distrutte piccole vescicole membranose, deputate al
trasporto dei materiali da un organulo all'altro. In una tipica cellula animale, il
complesso degli organuli delimitati da membrana può occupare fino a metà dei
volume totale della cellula. Fra il reticolo endoplasmatico, l'apparato di Golgi, i
lisosomi, la membrana plasmatica e l'ambiente extracellulare esiste uno scambio
continuo di sostanze, mediato da vescicole che si staccano dalla membrana di un
organulo per fondersi con quella di un altro.
Lisosomi hanno il compito di distruggere i materiali che non servono alla cellula
riciclano i materiali, cioè utilizzano ancora i materiali già usati. I lisosomi sono
organuli cellulari che si formano per distacco dal complesso di Golgi. Sono piccole
vescicole osservabili all'interno del citoplasma. La loro funzione è quella di svolgere
la digestione cellulare, proprio per questo motivo si fondono con i vacuoli contenenti
particelle alimentari ingerite dalle cellule.
I perossisomi sono vescicole delimitate da membrana, che costituiscono un
ambiente isolato e circoscritto per reazioni nel corso delle quali vengono
generate e demolite forme particolarmente pericolose e reattive dei perossidi
di idrogeno.
I vacuoli sono piccole cavità delimitate da una membrana, nelle quali vengono
accumulate scorie del metabolismo cellulare
I plastidi si possono considerare come sacche membranose sospesemnel citoplasma
nelle quali la cellula può accumulare sostanze. I più comuni plastidi sono i cloroplasti
ma si possono trovare anche cromoplasti e leucoplasti.
I leucoplasti sono plastidi nei quali viene confinato l'amido di
riserva, in attesa di utilizzazione; alcuni leucoplasti possono
sintetizzare oli e proteine. I leucoplasti si dividono in: ezioplasti
(plastidi che sono nelle parti aeree della pianta e quindi non sono
colpite dalla luce) , amiloplasti (sono dei magazzini di amido
sottoterra).
Mitocondri Sono organuli di forma allungata ( da 0,5 a 2 micrometri) e sono le
centrali energetiche delle cellule.Sono costituiti da due membrane, la più interna
ripiegata a formare delle creste mitocondriali, che aumentano la superficie
attiva del corpuscolo. In questi organuli avviene la demolizione del glucosio e la
produzione di molecole ricche di energia utilizzabile dalla cellula. Il loro numero
varia da cellula a cellula; ad es. nelle cellule del fegato possono essere tra 1000 e
1600, mentre nell'oocita sono anche 30.000. Questi organuli contengono, al loro
interno, un filamento di DNA a forma circolare e piccoli ribosomi che servono per la
sintesi di proteine specifiche del metabolismo degli zuccheri. I mitocondri
costituiscono la sede dei processo di respirazione cellulare, mediante il quale la
cellula ricava energia (sotto forma di molecole di ATP) bruciando molecole di
glucosio, derivanti dalla demolizione delle sostanze nutritive, in presenza di ossigeno.
Hanno il compito di produrre energia
I cromoplasti sono plastidi nei quali si accumulano pigmenti detti carotenoidi, di
colore rosso o giallo . Sono originati dalla trasformazione degli altri due tipi di
plastidi.I cloroplasti sono plastidi particolari, di colore verde, delimitati da una
membrana e contenenti, nel loro interno, pile (dette grana) di sacchetti membranosi
appiattiti (detti tilacoidi) ,connesse fra loro da membrane, dette lamelle intergrana.
Nelle membrane interne si trovano molecole di clorofilla I cloroplasti rappresentano
la sede dei processo chiamato fotosintesi clorofilliana, che sfrutta l'energia
dell'irradiazione solare per produrre ossigeno e molecole organiche a partire da
anidride carbonica e acqua.
Le ciglia ed i flagelli
Le ciglia ed i flagelli sono estroflessioni cellulari che ne permettono il movimento. Le
ciglia sono generalmente numerose e possono creare correnti nella soluzione intorno
alla cellula, in modo da indirizzare le sostanze nutrienti verso il luogo in cui verrà
digerito (come succede per esempio nelle spugne). I flagelli sono invece presenti in
numero singolo o comunque ridotto, fino al numero massimo di 5. La parte interna di
un ciglio o di un flagello è detta assonema o centriolo ed è costituito da una
membrana che racchiude 9 coppie di microtubuli alla periferia più due microtubuli
non accoppiati al centro. Questa struttura, detta 9+2, si ritrova in quasi tutte le forme
di ciglia e flagelli eucariotici, dai protozoi all'uomo. L'assonema si attacca al
corpuscolo basale, anch'esso formato da microtubuli, con una struttura leggermente
diversa da quella dell'assonema: ci sono 9 triplette ai lati e 2 microtubuli singoli al
centro.
Cellula animale tipica
Organelli
Nucleo
o Nucleolo (all'interno
del nucleo)
Reticolo endoplasmatico
rugoso
Reticolo endoplasmatico
liscio
Ribosomi
Citoscheletro
Apparato del Golgi
Citoplasma
Mitocondri
Lisosomi
Centrosomi
o Centrioli
Cellula vegetale tipica
Strutture
addizionali
Membrana plasmatica
Flagelli
Ciglia
Nucleo
o Nucleolo (all'interno del
nucleo)
Reticolo
endoplasmatico
rugoso
Reticolo endoplasmatico liscio
Ribosomi
Citoscheletro
Apparato
del
Golgi
(dittiosomi)
Citoplasma
Mitocondri
Cloroplasti ed altri plastidi
Vacuolo centrale (grande)
o Tonoplasto (membrana
centrale del vacuolo)
Perossisomi (gliossisomi)
Vacuoli
Membrana plasmatica
Flagelli (solo nei gameti)
Parete cellulare
Plasmodesmi
