Cellule: introduzione storica, microscopia e classificazione

Sommario

CELLULE

1. Introduzione storico-scientifica
2. Microscopia: il concetto di risoluzione
3. Storia della microscopia e delle cellule
4. Hans e Zacharias Jansen
5. Anthony van Leeuwenhoeck
6. Robert Hooke
7. Matthias Jacob Schleiden e Theodor Schwann
8. Rudolf Virchow
9. La teoria cellulare
10. Teorie e certezze
11. Tante domande
12. L'evoluzione delle cellule
13. Classificazione delle cellule
14. Procarioti ed eucarioti
15. I procarioti
16. Gli eucarioti

Dai procarioti agli eucarioti.

1. Le teorie sulla complessità delle cellule eucariote
2. Dagli organismi unicellulari a quelli pluricellulari
3. Energia dall'ambiente
4. Autotrofi ed eterotrofi
5. Strutture fondamentali
6. Membrana plasmatica
7. Citoplasma e citosol
8. Citoscheletro
9. Ribosomi
10. Reticolo endoplasmatico
11. Apparato del Golgi.

(la centrale di secrezione)

1. Lisosomi
2. Mitocondri
3. Nucleo
4. DNA
5. RNA
6. Cellule eucariote vegetali e animali
7. Dimensioni
8. Strutture
9. Plastidi
10. La parete cellulare
11. Cloroplasti
12. Vacuolo

Tutti gli esseri viventi sono costituiti da unità fondamentali di base dette cellule La cellula è un organismo completo, vivente che compie il suo ciclo vitale, cioè nasce, si nutre, cresce, si riproduce e muore. La cellula è verosimilmente la più piccola unità vivente che cresce, si differenzia e si moltiplica. Esistono organismi formati da una sola cellula (unicellulari) e organismi formati da molte cellule (pluricellulari). Ciascuna cellula ha una struttura ben definita di cui i costituenti più importanti sono:la membrana plasmatica che circonda la cellula e la protegge ed isola dall'esterno Il citoplasma che è una matrice gelatinosa per lo più formata di acqua nella quale sono contenuti uno o più tipi di organelli, macromolecole, molecole di varia dimensione e sali gli acidi nucleici che sono un elemento fondamentale in quanto con il cosiddetto «cervello» della cellula.

Introduzione storico-scientifica

Microscopia: il concetto di risoluzione

Si deve inizialmente chiarire un concetto fondamentale: in condizioni di illuminazione ideale l'occhio umano senza alcuno strumento di supporto è in grado di distinguere due punti a distanza di 0,2 mm l'uno dall'altro, (ovvero 200 micron). Se i punti sono più vicini, ne sarà visto solo uno. Questa distanza viene chiamata potere risolutivo o risoluzione dell'occhio. In microscopia ottica è sufficiente ingrandire la risoluzione oltre 0,2 mm, potere risolutivo dell'occhio umano, per consentire di osservare meglio i dettagli di un oggetto: un ingrandimento superiore, invece, non rivela alcuna ulteriore informazione. Sarebbe come stampare un'immagine in grandi dimensioni, ma senza aumentare il numero di "pixel": vedremmo l'immagine composta da tanti pezzi sgranati, col risultato di un effetto sgradevole sull'osservatore. Le unità di misura più utilizzate in microscopia sono il micrometro (o micron), avente simbolo um, il nanometro, con simbolo nm, e l'Ångström, con simbolo Å. Micrometro e nanometro sono due sub-unità naturali del metro pari a 10-6 (un milionesimo) e 10-9 (un miliardesimo) di metro; l'Å invece è un'unità di misura di lunghezza atipica, usata per le dimensioni atomiche è pari a 10-8 cm, ovvero 1/10 di nm. Il vero parametro importante di un microscopio è pertanto la risoluzione, e non l'ingrandimento massimo ottenibile: questo viene spesso indicato soltanto per dare un'idea di quanto l'immagine di un oggetto viene di fatto ingrandita. Il termine microscopio deriva dal greco micròs, ovvero "piccolo" e da scopéo: "osservo". Un microscopio composito è dotato di un obiettivo (la lente, o il sistema di lenti, più vicina all'oggetto da osservare) e un oculare (un sistema di lenti posto vicino all'occhio). L'obiettivo si occupa di raccogliere la luce e "inviarla" all'oculare. L'obiettivo inoltre ingrandisce l'immagine che viene poi ulteriormente ingrandire ulteriormente ingrandita dall'obiettivo. Combinazioni di varie lenti consentono di creare ingrandimenti regolabili e generalmente superiori a quelli ottenibili da una singola lente, anche se i primi microscopi compositi soffrivano di limitazioni ottiche dovute all'inesperienza dei loro creatori e alla tecnologia del vetro ancora troppo arretrata per realizzare lenti limpide e prive di imperfezioni.

Storia della microscopia e delle cellule

Hans e Zacharias Jansen

L'invenzione del primo microscopio è legata alla storia delle lenti ottiche. Le prime lenti, chiamate pietre di lettura, consentivano di ingrandire gli oggetti osservati fino a 6-10 volte e venivano generalmente utilizzate per l'ingrandimento del testo di un manoscritto. I primi passi nella tecnologia che ha reso possibile la scoperta della cellula si devono a Hans e Zacharias (nella foto) Jansen, olandesi, per l'appunto fabbricanti di occhiali. Le pietre da lettura aprirono la strada all'osservazione di dettagli minuti del mondo naturale, come le caratteristiche di ali, zampe e testa degli insetti, ma erano strumenti per nulla economici e venivano realizzati con vetro dotato di scarsa trasparenza e lavorati con tecniche manuali che creavano imperfezioni nel materiale e deformazioni delle immagini prodotte. Padre e figlio, iniziarono a sperimentare la combinazione di diverse lenti emisferiche scoprendo, dopo qualche tentativo fallito, di poter ottenere ingrandimenti superiori a quelli consentiti da una singola lente da lettura, nel 1590 essi realizzarono il primo microscopio ottico formato dall'obiettivo che riproduceva l'immagine ingrandita dell'oggetto e dall'oculare che ingrandiva fino a 30 volte di più l'immagine rispetto all'obiettivo. Anche se i prototipi del microscopio di Janssen non sono sopravvissuti fino ad oggi, sappiamo dalla documentazione storica che uno dei primi esemplari (probabilmente costruito nel 1595 insieme al padre Hans) era costituito da 3 tubi del diametro di circa 5 centimetri e 2 lenti, otteneva ingrandimenti da 3x a 9x ma generava immagini poco nitide. L'ingrandimento era regolabile tramite lo slittamenti dei tre tubi: quando lo strumento veniva esteso al massimo, raggiungeva i 45 centimetri di lunghezza e otteneva ingrandimenti di 9x.

Anthony van Leeuwenhoeck

A perfezionare il microscopio ulteriormente fu Anthony van Leeuwenhoeck (1632-1723), un naturalista olandese che costruì un microscopio ottico semplice. La vera rivoluzione di van Leeuwenhoek fu la qualità delle sue lenti: dopo aver perfezionato i processi di produzione elucidatura del vetro, riuscì a realizzare piccole lenti sferiche capaci di ingrandire fino a 275 volte e intelaiate su strutture d'argento o di rame. Senza alcuna base scientifica o metodo, scoprì organismi unicellulari come i globuli rossi del sangue, gli spermatozoi e i protozoi. Van Leeuwenhoek realizzò almeno 25 microscopi a lente singola, piccoli strumenti dotati di viti usate per regolare la messa a fuoco e la posizione del campione osservato. Per molti anni nessuno riuscì a replicare le tecniche di costruzione di van Leeuwenhoek, specialmente i miglioramenti che introdusse nei processi di lavorazione del vetro, ma l'artigiano olandese produsse oltre 500 lenti sferiche che distribuì in tutta Europa allo scopo di diffondere la sua invenzione senza rilasciare alcun segreto sul processo di lavorazione del vetro che aveva elaborato. Specimen holder Lens Focusing screw Nell'arco di due secoli i regni animale e vegetale iniziarono a svelarsi in tutto il loro fascino: Marcello Malpighi, uno dei padri della biologia, analizzò la struttura dei polmoni e dei capillari, Jan Swammerdam osservò e descrisse i globuli rossi e dimostrò il ciclo vitale degli insetti, mentre Robert Hooke realizzò una serie di disegni sugli insetti dal valore entomologico inestimabile.

Robert Hooke

Alcuni dei primi utilizzatori del microscopio (come Robert Hooke) modificarono il loro strumento a 3 lenti rimuovendone una: la qualità delle lenti stesse e l'uso di una terza lente diminuivano così tanto la qualità dell'immagine da rendere l'apparecchio quasi inutilizzabile. Nella sua Micrographia (1665) il matematico, fisico, astronomo e naturalista inglese Robert Hooke, aveva descritto la struttura alveolare del parenchima della quercia da sughero ricorrendo alla metafora della cellula per definire questo tipo Eyepiece - Hooke Microscope Oil Lamp Water Flask S Barrel Focusing Screw Objective Specimen Holderdi configurazione. Egli pubblicò una collezione di disegni basati sulle sue osservazioni effettuate con un microscopio realizzato dal londinese Christopher White. Esaminando un pezzo di sughero, con un primitivo microscopio ottico, infatti, egli aveva notato che MICROGRAPHIA: questo era composto da microscopiche unità che definì "cellule" ossia .. MINUTE BODIES NADE IF MAGNIFYING GLASSIS- piccole celle in analogia con le piccole camere nelle quali, in un convento, dormivano i frati. Il termine "cellula" restò invariato anche se le strutture osservate da Hooke erano in realtà le pareti cellulari delle cellule morte presenti nel pezzo di sughero. Schem:XI. Fig:1. Fig Solo successivamente cellule vive vennero esaminate dallo stesso Hooke ma è nel diciannovesimo secolo che l'osservazione di cellule vive diventa una pratica diffusa per gli studiosi. Renè Joachim Henri Dutrochet definì le cellule non solo come unità strutturali, ma anche come unità fisiologiche.

Matthias Jacob Schleiden e Theodor Schwann

La nascita ufficiale della biologia cellulare coincide con le pubblicazioni di due grandi scienziati tedeschi: Schleiden (1804-1881) e Schwann (1810-1882), entrambi concordi nel considerare le cellule come gli elementi costitutivi di tutti gli organismi.I risultati degli studi basati sulle idee innovatrici di Schleiden, offrirono allo zoologo Schwann lo spunto da cui sarebbe nata la sua teoria. I due erano in contatto e si influenzarono l'un l'altro nei reciproci campi di interesse. Schleiden aveva ipotizzato che tutte le parti elementari dei vegetali si formassero intorno e a partire da nuclei attraverso un processo di costituzione di membrane che avvolgevano il contenuto mucoso delle cellule; dopo infinite osservazioni, egli definì che tutti i tessuti vegetali (come quelli nella foto) sono costituiti da insiemi organizzati di cellule. Nell'anno seguente Schwann, che aveva esteso le sue osservazioni ai tessuti animali, propose una base cellulare comune a tutti gli organismi viventi. Da queste conclusioni furono coniati due dei tre dogmi della teoria cellulare: 3 000G 24 000000 = 20

1. Tutti gli organismi viventi sono composti di cellule vive
2. La cellula è l'unità di base della vita

Rudolf Virchow

Nel 1855 Virchow enunciò il principio della riproduzione cellulare omnis cellula a cellula, che nel 1857 assumerà la sua forma definitiva nell'assioma omnis cellula e cellula enunciato da Franz von Leydig (1821-1908). Nel 1858, quindi, l'idea che tutti gli organismi fossero formati da una o più cellule assunse un significato ancora più ampio: Virchow, quindi, introduce il terzo dogma della teoria cellulare: 3. tutte le cellule derivano da altre cellule «Quando una cellula esiste, ci dev'essere stata una cellula preesistente, proprio come un animale si origina solo da un animale e una pianta si origina solo da una pianta». Nella teoria di Virchow, la nozione di cellula presenta numerose connotazioni. Si tratta prima di tutto di una categoria morfologica e morfogenetica che ospita le attività fisiologiche. All'interno della cellula si produce un insieme di scambi molecolari analizzabili in termini di processi fisico-chimici. La cellula è l'unica struttura che consente lo svolgimento dei processi vitali, a iniziare da quello della nutrizione, base di tutti i fenomeni metabolici. L'analisi dei fenomeni e dei processi vitali che si potevano evidenziare a carico di una cellula, erano verosimilmente possibili in quanto si verificavano all'interno dell'individualità rappresentata dalla cellula stessa