Oggi gli scienziati concordano sul fatto che la cellula è l’unità base della materia vivente, la parte più piccola di un organismo che possiamo dire viva. Unanimemente viene considerata l’unità autonoma di struttura e funzione, che svolge le funzioni essenziali della vita (metabolismo, crescita, risposta (o sensibilità), omeostasi, nutrizione, riproduzione ed escrezione).

Gli organismi unicellulari e pluricellulari.

Le cellule generalmente sono estremamente piccole: la maggior parte sono visibili solo come strutture distinte quando usiamo un microscopio (sebbene alcuni tipi di cellule siano abbastanza grandi da essere visti ad occhio nudo). Oggi usiamo un microscopio ottico composto per studiare la struttura cellulare – forse hai già familiarità con il microscopio ottico come attrezzatura da laboratorio. Potresti averne usato uno per visualizzare cellule viventi, come l’ameba (Fig. 2.01).

Gli organismi costituiti da un’unica cellula sono chiamati unicellulari. Gli organismi unicellulari, anche se strutturalmente semplici, svolgono tutte le funzioni essenziali della vita, all’interno dei confini di una singola cellula. La cellula si nutre, respira, espelle, è sensibile alle condizioni interne ed esterne (e può rispondere ad esse), può muoversi e alla fine si divide o si riproduce e muore. In effetti, nel mondo vivente esiste un gran numero di diversi organismi unicellulari, molti dei quali con storie evolutive molto lunghe.

Gli organismi, costituiti da molte cellule, sono chiamati organismi multicellulari. La maggior parte, come i mammiferi e le piante da fiore, sono costituiti da cellule altamente specializzate per svolgere un particolare ruolo o funzione. Le cellule specializzate sono organizzate in tessuti e organi. Un tessuto è un gruppo di cellule simili specializzate per svolgere una particolare funzione, come il tessuto del muscolo cardiaco di un mammifero. Un organo è un insieme di diversi tessuti che svolge una funzione specializzata, come il cuore di un mammifero.

Le caratteristiche di una cellula

Una cellula è costituita da un nucleo circondato da citoplasma, contenuto all’interno della membrana cellulare. Il nucleo è la struttura che controlla e dirige le attività della cellula. Il citoplasma è il sito delle reazioni chimiche della vita, che chiamiamo “metabolismo”. La membrana cellulare, nota come membrana plasmatica, è la barriera che controlla l’ingresso e l’uscita dal citoplasma. Le cellule appena formate crescono e si ingrandiscono. Una cellula in crescita può normalmente dividersi in due cellule. La divisione cellulare è molto spesso limitata a cellule non specializzate, prima che vengano modificate per un particolare compito. Le cellule possono svilupparsi e specializzarsi nella loro struttura e nelle funzioni che svolgono. Un risultato comune di ciò è che molte cellule completamente specializzate non sono più in grado di dividersi, per esempio. Ma come conseguenza della specializzazione, le cellule mostrano una grande varietà di forma e struttura. Questa varietà nella struttura riflette gli adattamenti evolutivi delle cellule a diversi ambienti e a diverse funzioni specializzate, ad esempio all’interno di organismi multicellulari.  

Teoria cellulare. L’affermazione secondo cui le cellule sono l’unità di struttura e funzione negli esseri viventi contiene tre idee basilari:

1) Le cellule sono i mattoni della struttura negli esseri viventi.

2) Le cellule sono la più piccola unità di vita .

3) Le cellule derivano da altre cellule ( preesistenti) per divisione.

Oggi possiamo tranquillamente aggiungere due concetti alla teoria:

– le cellule contengono un progetto (informazioni) per la loro crescita, sviluppo e comportamento.

– le cellule sono la sede di tutte le reazioni chimiche della vita (metabolismo).

Dimensioni delle cellule.

Poiché le cellule sono così piccole, abbiamo bisogno di unità appropriate per misurarle. Le dimensioni delle cellule sono espresse nell’unità chiamata micrometro o micron (ÿm). Si noti che questa unità è un millesimo (10–3) di millimetro. Questo ci dà un’idea chiara di quanto siano piccole le cellule rispetto al millimetro, che puoi vedere su un righello standard. I batteri sono molto piccoli, in genere hanno una dimensione di 0,5-10 ÿm, mentre le cellule di piante e animali sono spesso comprese tra 50 e 150 ÿm o più grandi. Anche le lunghezze delle cellule unicellulari variano notevolmente.

Il volume può variare da 1 a 1000 micron cubo; (1micron è pari a un millesimo di millimetro, cioè 1 mm=10-3mm=10-6mm); quindi, la maggior parte sono visibili solo quando usiamo un microscopio (sebbene alcuni tipi di cellule siano abbastanza grandi da essere viste ad occhio nudo).

Introduzione alle cellule vegetali e animali.

Un’altra divisione tradizionale è tra cellule animali e vegetali. Non esiste una cellula ‘tipica’, ma c’è una grande varietà. Usando un microscopio composto, l’aspetto iniziale di una cellula è di un semplice sacco di materiale fluido, legato da una membrana e contenente un nucleo (Fig. 2.02).

Le cellule animali e vegetali hanno almeno tre strutture in comune: il citoplasma, il nucleo, e la membrana plasmatica. Inoltre, nel citoplasma, presentano organelli, la maggior parte comuni sia alle cellule animali che a quelle vegetali. Ricorda che all’interno di una cellula un organello è una struttura caratterizzata, con una funzione specifica. Troppo piccoli per essere visti ad un ingrandimento ottico, sono visibili con il microscopio elettronico.

Al di là delle somiglianze, alcune importanti differenze esistono tra cellule vegetali e animali . Le cellule vegetali presentano una parete cellulare dura, leggermente elastica, costituita in gran parte da cellulosa, assente nelle cellule animali. Le cellule vegetali hanno spesso un grande vacuolo permanente, uno spazio pieno di liquido all’interno del citoplasma, circondato da una singola membrana. Le cellule vegetali verdi contengono anche organelli chiamati cloroplasti nel loro citoplasma i siti in cui le cellule vegetali verdi producono molecole alimentari mediante la fotosintesi, assenti nelle cellule animali. Invece, nelle cellule animali è presente il centrosoma, un organello che si trova vicino al nucleo , coinvolto nella divisione nucleare nelle cellule animali, non presente nelle piante. Infine, anche il carboidrato di riserva è diverso: le cellule animali possono immagazzinare glicogeno, le cellule vegetali normalmente amido. Le differenze tra le cellule animali e vegetali sono sintetizzate nella Tab. 2.02.

■    Il microscopio

Siccome la maggior parte delle cellule sono molto piccole, l’osservazione delle cellule e delle strutture interne richiede l’uso di microscopi che possono essere di due tipi: ottico ed elettronico. Le cellule e tessuti possono essere ulteriormente ingrandite, visualizzate, e salvate per la stampa mediante la tecnica della microscopia digitale. Le immagini vengono visualizzate tramite videoregistratore, monitor TV o computer e stampate. In aggiunta, la registrazione di ciò che si vede con il microscopio composto può essere trasformata in immagine mediante disegni e ideogrammi.

I microscopi ottici possono ingrandire fino a 2000 volte. Nel microscopio semplice (obiettivo manuale), una singola lente biconvessa è supportata in un telaio in modo che lo strumento possa essere tenuto molto vicino all’occhio. La lente manuale viene utilizzata principalmente per osservare la struttura esterna, sebbene alcune delle prime osservazioni dettagliate di cellule viventi siano state effettuate con strumenti a lente singola( Fig.02.03) Nel microscopio composto, i raggi di luce vengono focalizzati dal condensatore su un campione su un vetrino da microscopio sul tavolino del microscopio. La luce trasmessa attraverso il campione viene quindi focalizzata da due serie di lenti (da cui il nome “microscopio composto”)( Fig.02.04). La lente dell’obiettivo forma un’immagine (nel tubo del microscopio) che viene poi ulteriormente ingrandita dalla lente dell’oculare, producendo un’immagine notevolmente ingrandita. Oggi il microscopio composto è stato soppiantato da un microscopio più potente , chiamato il microscopio elettronico, che ingrandisce fino a 500000 volte. Il microscopio elettronico utilizza gli elettroni per creare un’immagine ingrandita come il microscopio ottico utilizza la luce. Tuttavia, poiché un fascio di elettroni ha una lunghezza d’onda molto più corta, il suo potere risolutivo è molto maggiore ( Fig.02.04)(La dimensione dei nanometri è indicata nella Tab.2.01).

Nel microscopio elettronico, il fascio di elettroni è generato da un cannone elettronico e la messa a fuoco avviene tramite elettromagneti, anziché tramite lenti di vetro. Il fascio di elettroni viene focalizzato su uno schermo fluorescente per la visualizzazione o su una lastra fotografica per la registrazione permanente .Nella microscopia elettronica a scansione, uno stretto fascio di elettroni viene scansionato avanti e indietro attraverso la superficie del campione. Gli elettroni riflessi o emessi da questa superficie vengono rilevati e convertiti in un’immagine tridimensionale. In un metodo alternativo di preparazione, il materiale biologico viene congelato istantaneamente in azoto liquido (a pressione atmosferica 196ºC). A questa temperatura i materiali viventi non cambiano forma in quanto l’acqua presente si solidifica istantaneamente. Questo tessuto solidificato viene quindi frantumato nel vuoto e le superfici esposte possono perdere parte del loro ghiaccio; la superficie è descritta come ‘incisa‘. Tecnica chiamata incisione a freddo (Fig.2.05).