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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
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