ALBERGHINA COVER_ABconf.indd - Mondadori Education

Lilia Alberghina Franca Tonini
ALBERGHINA
LA BIOLOGIA
A
B
M
Le basi chimiche della vita
La cellula: l’unità del vivente
CON CD-ROM
C

Sezione A
Le basi chimiche della vita
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
5. Un’applicazione del metodo scientifico
11
alle scienze della vita 14
Dentro la ricerca
In viaggio tra tre infiniti 17
Questioni aperte & Nuove frontiere
Alla ricerca della vita extraterrestre 18
a colpo d’occhio La vita e i viventi 20
esercizi 22
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
Capitolo 2
Atomi, molecole
e legami chimici 24
Isotopi e radioisotopi 32
3. L’acqua, un composto fondamentale per la vita 34
Medicina & società
Il lato oscuro degli elementi 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
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’importanza dell’asimmetria per la vita 49
1. Le molecole organiche sono composti
del carbonio 50
2. I costituenti molecolari delle cellule 54
3. Le proteine, molecole essenziali per la cellula 55
Dentro la ricerca
Capitolo 3
Domini proteici
4. Gli acidi nucleici, custodi dell’informazione
58
genetica 60
5. I lipidi, una scorta di energia 63
6. I glucidi, il sostegno della vita 66
Medicina & società
La chimica della vita 48
Chimica, alimentazione e vita 70
Questioni aperte & Nuove frontiere
S ommario
Bioluminescenza: un’inaspettata risorsa 72
a colpo d’occhio La chimica della vita 74
esercizi 76

ommario S
IV
Sezione B
La cellula: l’unità del vivente
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’abbandono di una teoria ben radicata 81
1. L’unità dei viventi nella diversità 82
2. Principi e storia della moderna teoria cellulare 82
Dentro la ricerca
L’osservazione al microscopio 84
3. Le dimensioni delle cellule 86
4. Forme, funzioni e numero delle cellule 90
Dentro la ricerca
Capitolo 4
La cellula:
struttura e funzioni 80
Verso la biologia molecolare 91
Questioni aperte & Nuove frontiere
I virus, sospesi tra vita e non vita 92
a colpo d’occhio Le cellule 94
esercizi 96
Capitolo 5
Le cellule procariote
ed eucariote 98
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
Un inedito paesaggio submicroscopico
da interpretare 99
1. Procarioti ed eucarioti:
le caratteristiche comuni 100
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
7. Le strutture sovramolecolari 110
8. Gli organuli delimitati da doppia membrana 113
Medicina & società
Quando ciglia e flagelli non battono più 113
9. Dentro la cellula vegetale 114
Medicina & società
La lunga e alterna lotta tra noi e batteri 117
10. Oltre la cellula: livelli superiori
di organizzazione 118
11. Le formazioni extracellulari 120
Dentro la ricerca
Affinità e riconoscimento tra cellule 120
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
Indice analitico
Glossario

Sommario dei contenuti online
Per la classe virtuale e nel CD-ROM studente Per esercitarsi
Scienza Si VIVA
eLAB
Sezione A – Le basi chimiche della vita
Capitolo 1
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI Alla ricerca del segreto
della vita
Come stendere una relazione tecnica; La sicurezza in laboratorio.
Capitolo 2
S A
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI Il secolo del radio
Paragrafo 1 Tavola periodica; Paragrafo 2 I legami atomici;
Paragrafo 3 Tensione superficiale; Dissoluzione del
sale in acqua; Misura del pH
Differenza di comportamento tra atomo e ione; Misura del
pH di sostanze biologiche di uso comune
Capitolo 3
S A
animazioni, video, attività interattive
proposte di laboratorio associate agli esercizi
@pprendiscienza lezioni multimediali in italiano e in inglese
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’importanza dell’asimmetria per la vita
Paragrafo 3 La struttura delle proteine; Paragrafo 4 Gli
acidi nucleici; Paragrafo 5 I trigliceridi; I fosfolipidi; Paragrafo
6 Il glucosio
Scomposizione di un olio in sostanze semplici; Scomposizione
dell’amido in sostanze più semplici
E-TRAINER
Sezione B – La cellula: l’unità del vivente
Capitolo 4
S A
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’abbandono di una teoria ben radicata
S ommario
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
Uso del microscopio; Osservazione dei batteri dello yogurt
Capitolo 5
S A
narrazioni in mp3 scaricabili associate alla rubrica
Storie di scienze e di scienziati
cruciverba interattivo associato ad ogni Verifica flash
test interattivi associati agli esercizi di fine capitolo
STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI Un inedito
paesaggio submicroscopico da interpretare
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
Cellule animali e vegetali; Come le dimensioni influenzano
la diffusione; Permeabilità selettiva della membrana cellulare
V

tlante del corso A
Atlante del corso
La scheda
Medicina e società
affronta argomenti
biomedici, con uno
sguardo rivolto
al mondo e ai suoi
problemi.
Gli esercizi di fine
capitolo si
articolano su tre
livelli: Sapere,
Saper fare
e Saper
interpretare.
VI
La rubrica finale
A colpo d’occhio
sintetizza il capitolo
in modo contestuale
e visivo.
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;
Dentro la ricerca approfondisce
metodi, strumenti e applicazioni
delle discipline che studiano il
vivente.
Gli esercizi
comprendono
i laboratori e
il Piccolo
dizionario medico,
da riempire e
utilizzare per
attività di ricerca.
www.libropiuweb.it
Scienza Si VIVA
E-TRAINER
la Verifica flash aiuta a fare
il punto sulle conoscenze
acquisite;
le domande sulle chiavi di
lettura attivano il pensiero
critico.
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.
Per la classe virtuale e nel CD-ROM studente
Animazioni, video e attività
interattive, per comprendere
strutture e processi della biologia
Proposte di laboratorio
scaricabili e stampabili
@ pprendiscienza
Lezioni multimediali in italiano
e in inglese
Per esercitarsi
Narrazioni mp3 scaricabili,
per ascoltare la scienza
raccontata dai protagonisti
Cruciverba con i termini
della biologia, per ripassare
e imparare divertendosi
Test interattivi, per mettere
alla prova le proprie conoscenze

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
Struttura delle cellule animali
e vegetali
La composizione chimica
delle cellule
Il nucleo, archivio per il materiale
genetico
La divisione cellulare
La specializzazione nelle cellule
Trasporti e membrane
Le trasformazioni metaboliche
nella cellula
Obiettivi
di apprendimento
Numerosi video
e animazioni
presentano
i contenuti
in modo
coinvolgente
Glossario
e biografie
ENGLISH VERSION
Structure of plant and animal cells
Chemical composition of cells
The nucleus as a store of genetic
material
Cell division
Cell specialization
Transport across membranes
Metabolic transformations in a cell
Numerose tipologie di attività interattive
di autovalutazione con feedback animati
LEZIONI
Pulsanti per la
navigazione
La classificazione
degli organismi
I virus
L’origine della vita sulla Terra
Charles Darwin e la teoria
dell’evoluzione
Le leggi dell’evoluzione e della
speciazione
La storia della vita sulla Terra
Ogni argomento
è organizzato
in più livelli
di approfondimento
e verifica
Ogni lezione è disponibile
in italiano e in inglese
ENGLISH VERSION
Classification
of organisms
Viruses
The origin of life on Earth
Charles Darwin and the theory
of evolution
Laws of evolution and speciation
The history of life on Earth
Simulazioni interattive per
entrare nel vivo dei processi
Il report dei risultati raggiunti
e delle attività svolte
consultabile in qualsiasi
momento
VII

C 4
apitolo
La cellula: struttura
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.
e funzioni

STORIE DI SCIENZA E DI SCIENZIATI
L’abbandono di una teoria ben radicata Audio DOC
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-
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
forma di cigno, da lui
appositamente progettato.
Portò a ebollizione
il liquido, in modo da
Louis Pasteur mentre
solleva uno dei palloni con
collo a S da lui progettati.
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”.

Sezione
B La cellula: l’unità del vivente
1. L’unità dei viventi
nella diversità
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
Fig. 1 Unità biologica e chimica dei viventi nella diversità.
82
a livello
microscopico
appaiono diversi
appaiono simili
Scienza VIVA
Le diverse disposizioni che questi possono assumere lungo
la molecola del DNA costituiscono la base dell’individualità
di ciascun organismo.
CHIAVE 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 DI LETTURA
Cruci WEB
2. In che senso e perché i concetti di identico e diverso hanno
un valore relativo?
2. Principi e storia della
moderna teoria cellulare
La cellula è l’unità elementare dell’attività
biologica
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”
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,

lampada ad olio oculare
lente sferica (ad acqua)
obbiettivo
messa
a fuoco
portacampione
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
portacampione
Fig. 2 Il microscopio di Hooke. Fig. 3 Il microscopio di Leeuwenhoek.
lente
apitolo 4 La cellula: struttura e funzioni
C
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
messa a fuoco
traslatore del campione
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.
83

Sezione
B La cellula: l’unità del vivente
Dentro Ricerca
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.
84
L’osservazione al microscopio
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
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. 1 Microscopio ottico. Fig. 2 Microscopio elettronico a trasmissione (TEM).
a. b.
occhio
a.
b.
generatore
del fascio
generatore di elettroni
di elettroni
c. Microfotografia
di spermatozoo
al microscopio ottico
oculare
obiettivo
campione
condensatore
fonte luminosa
c. Microfotografia
di spermatozoo
al microscopio TEM
membrana
nucleo
condensatore
campione campione
obiettivo
proiettore
schermo
schermo visore
visore o lastra
oculare fotografica

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-
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
Fig. 3 Microscopio elettronico a scansione (SEM). Fig. 4 Microscopio a forza atomica (AFM).
a.
generatore
di elettroni
generatore b.
del fascio
di elettroni
a. b.
rilevatore della
deflessione
della sonda
c. Microfotografie
di spermatozoi
al SEM
generatore
del pennello
di elettroni
condensatore
deflettore del
fascio
rivelatore
ricettore
diffusione
di elettroni del campione
apitolo 4 La cellula: struttura e funzioni
C
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).
sonda
campione
schermo
visore
microleva
Scienza VIVA
c. Microfotografie
di spermatozoo all’AFM
85

Sezione
B La cellula: l’unità del vivente
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.
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
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
Cruci WEB
Fig. 4 Dimensioni di alcune strutture molecolari, cellulari
e di alcuni viventi sulla scala logaritmica.
Scienza VIVA
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

Fig. 5 Dimensioni di diversi tipi di cellule a confronto.
Globulo
rosso
lipide
8 µm
100 µm
Cellula
adiposa
flagello
cloroplasto
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.
Le cellule non possono scendere sotto una
certa grandezza per ragioni metaboliche
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-
villo
Chla
Cellula
epiteliale
intestinale
15 µm
Fig. 6 L’alga
Caulerpa taxifolia.
50 µm
Cellula del
legno di un
albero
rafforzamento
della parete
cellulare
Cellula nervosa
dendriti
corpo cellulare
100 µm 1 m
apitolo 4 La cellula: struttura e funzioni
C
6 µm
assone
60 µm
Cellula urticante di
anemone di mare
filamento
scaricato
60 µm
cnidociglio
nucleo
nucleo
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 sono rimaste piccole per mantenere
scambi efficaci con l’esterno
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-
villo
cnidociglio
terminali
assonici
87

Sezione
B La cellula: l’unità del vivente
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-
Fig. 7 Il rapporto superficie/volume delle cellule
è tanto più alto quanto più queste sono piccole.
S = 6l 2
V = l 3
l = 5 μm
1 cellula di lato 5
S = 150 μm 2
V = 125 μm 3
S/V = 1,2
S = 1200 μm 2
V = 1000 μm 3
1 cellula di lato 20
S = 600 μm
8 cellule di lato 5
S/V = 1,2
2
V = 1000 μm 3
S/V = 0,6
S = 2400 μm 2
V = 8000 μm 3
1 cellula di lato 10
S/V = 0,3
8 cellule di lato 10
S = 4800 μm 2
V = 8000 μm 3
S/V = 0,6
S = 9600 μm 2
V = 8000 μm 3
Il rapporto S/V di una cellula, all’aumentare delle sue dimensioni, diminuisce
μm μm
μm
μm
μm
64 cellule di lato 5 μm
S/V = 1,2
88
l = 10 μm
l = 20 μm
Scienza VIVA
Il rapporto S/V di un volume totale,
all’aumentare del numero delle
cellule che lo occupano, cresce.
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.
cellula isodiametrica
con molti prolungamenti
citoplasma
VACUOLO
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.

Fig. 9 Modi per aumentare la superficie di un solido a partire da
una sfera, lasciando inalterati massa e volume.
Forma ancora isodiametrica:
l’aumento è ottenuto
attraverso rientranze
e sporgenze.
Forma sferica, ma cava all’interno.
VUOTO
Superficie liscia,
ma forma allungata
prevalentemente
in una direzione.
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.
Fig. 11
La pluricellularità
garantisce
ai viventi
una migliore
interazione
con l’ambiente
esterno.
ORGANISMO
FORMATO DA UN’UNICA MASSA
DI MATERIA VIVENTE
1 cm
0,5 mm
10 μm
1 μm
livello
macroscopico
livello
microscopico
livello
microscopico
livello
ultramicroscopico
apitolo 4 La cellula: struttura e funzioni
C
Fig. 10 Tendenza dei viventi ad aumentare la superficie relativa
a diversi ordini di grandezza.
DIMENSIONI
Molecole che entrano
ed escono dall’organismo
Superficie di contatto
con l’esterno
ORGANISMO
SUDDIVISO IN CELLULE
Foglia intera
forma laminare
con alto rapporto
superficie/volume
Sezione della
foglia
ampie superfici
di cellule
si affacciano
su una rete
di spazi
intercellulari
interni
Cellula
del tessuto
fotosintetico
la materia vivente
non è uniforme,
ma strutturata
in organuli
che appaiono
nettamente
delimitati.
Organulo
cellulare singolo
(cloroplasto)
contiene
un complicato
sistema
di membrane
interne alle quali
è legata
la clorofilla.
89

Sezione
B La cellula: l’unità del vivente
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
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
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 10 13 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?
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.

Dentro Ricerca
Con la nascita
della biochimica
e della genetica
la biologia diventa
una scienza
sperimentale
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
1975
1950
1925
1900
1875
1850
1825
1800
1700
1600
progetto genoma umano
ciclo di Krebs
cristallizzazione
enzima
Buchner
Glicolisi
Pasteur collega
gli organismi viventi
a processi specifici
fermentazione
BIOCHIMICA
Verso la biologia molecolare
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-
BIOLOGIA
MOLECOLARE
sviluppo
delle
tecniche
di colorazione
Schleiden
e Schwann
formulano
la teoria
cellulare
microscopio
ottico
BIOLOGIA
CELLULARE
biotecnologie
Watson e Crick
propongono la struttura
a doppia elica del DNA
microscopio
elettronico
occhio
nudo
Mendel scopre
le leggi
fondamentali
della genetica
GENETICA
Le principali tappe della biologia cellulare, della biochimica e
della genetica, e lo sviluppo della biologia molecolare.
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.
La biologia
molecolare svela
i meccanismi
biochimici interni
alla cellula
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
apitolo 4 La cellula: struttura e funzioni
C
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.
91

Sezione
B 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.
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.
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.
92
&
involucro lipidico
molecola di RNA
proteine dell’involucro
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.
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.

Dunque il virus si colloca sotto la soglia
della vita?
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.
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.
apitolo 4 La cellula: struttura e funzioni
C
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
Quale ruolo giocano i virus sul piano
evolutivo?
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.
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.
93

Sezione
B La cellula: l’unità del vivente
Per lo più di grandezza uniforme, sono presenti nei
diversi organismi in numero differente.
94
a occhio nudo
Le cellule sono gli elementi
costitutivi di tutti i viventi,
e li accomunano nella diversità.
appaiono diversi
al microscopio appaiono simili
Le cellule
Sono le più piccole unità funzionali capaci
sia di vita indipendente, sia di vita d’insieme.

Hanno forme
e dimensioni che
variano a seconda
della funzione che
svolgono.
Derivano
ciascuna da un’altra
cellula e tutte, su scala
evolutiva, da una primordiale cellula
fondatrice.
parete cellulare
anello di DNA
membrana nuda
TIPO DI
CELLULA
Hanno conservato
dimensioni piccole
per mantenere alto
il rapporto S/V
e poter intrattenere
scambi efficaci
con l’ambiente.
introflessione
S = 6l 2
V = l 3
l = 5 μm
l = 10 μm
vescicola
intracellulare
apitolo 4 La cellula: struttura e funzioni
C
SPERMATOZOO NEURONE GLOBULO ROSSO
DIMENSIONE 5-10 m 100 m 8 m
FORMA È una cellula piccola Presenta più prolungamenti È un piccolo disco
e affusolata, formata che si dipartono dal corpo concavo, più sottile
da una testa, un collo, cellulare al centro
una coda
FUNZIONE Ha il compito di fondersi È l’unità funzionale del È responsabile del
con l’ovulo femminile tessuto nervoso. trasporto dell’ossigeno:
per iniziare il processo È responsabile della ricezione nell’uomo lo preleva
di riproduzione e della trasmissione a livello polmonare
degli impulsi nervosi e lo trasporta a tutte
le cellule del corpo
l = 20 μm
1 cellula di lato 5
S = 150 μm 2
V = 125 μm 3
S/V = 1,2
S = 1200 μm 2
V = 1000 μm 3
1 cellula di lato 20
S = 600 μm
8 cellule di lato 5
S/V = 1,2
2
V = 1000 μm 3
S/V = 0,6
S = 2400 μm 2
V = 8000 μm 3
1 cellula di lato 10
S/V = 0,3
8 cellule di lato 10
S = 4800 μm 2
V = 8000 μm 3
S/V = 0,6
S = 9600 μm 2
V = 8000 μm 3
Il rapporto S/V di una cellula, all’aumentare delle sue dimensioni, diminuisce
μm μm
μm
μm
μm
64 cellule di lato 5 μm
S/V = 1,2
microtubuli
fibre
di actina
Il rapporto S/V di un volume totale,
all’aumentare del numero delle
cellule che lo occupano, cresce.
verso la cellula eucariote
lisosoma
95

esercizi Sezione
B
SAPERE
Rispondi alle seguenti domande.
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?
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.
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.
96
V F
V F
V F
V F
V F
V F
V F
V F
V F
V F
SAPER FARE
Indica il completamento corretto.
25. Le dimensioni medie di una cellula batterica sono:
a
maggiori della cellula eucariote c di circa 2 µm
b di circa 0,2 µm d sono di circa 0,2 mm
26. Per aumentare la propria superficie interna alcune cellule:
a
b
c
d
diventano plurinulceate
si ripiegano in microvilli
si organizzano in tessuti
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
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 (...).

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.
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”?
SAPER INTERPRETARE
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?
2
1,5
1
0,5
raggio (r)
0 5
rapporto superficie/volume (S/V)
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?
1 cellula
S = 2.400 μm 2
V = 8.000 μm 3
S/V = 0,3
20 μm
apitolo 4 C
... IN PIÙ SUL WEB
E-Trainer.
PICCOLO DIZIONARIO MEDICO
Definisci il termine incontrato nel capitolo.
38. Biotecnologie
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
Effettua una ricerca su Internet.
39. Indica almeno un contributo offerto dalle biotecnologie
alla medicina e alla farmacologia.
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
Rifletti sul metodo che hai seguito nella ricerca
delle informazioni.
40. Quanti e quali fonti hai consultato?
8 cellule 1000 cellule
S = .....................
V = .....................
S/V = .....................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
.................................................................................................................................................................
10 μm
S = .....................
V = .....................
S/V = .....................
Verifica la tua preparazione con gli esercizi interattivi.
In laboratorio
36. Uso del microscopio
37. Osservazione dei batteri dello yogurt
esercizi
2 μm
97