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Origine dei viventi

La cellula venne scoperta per la prima volta nel 1665 dal microscopista inglese Robert Hooke, il quale, studiando alcune proprietà del sughero, grazie all’ingrandimento del microscopio identificò per la prima volta le pareti cellulari vuote del legno. Le battezzò dunque “cells” a causa della loro forma regolare, simile a quella di un alveare.
In quegli anni la microscopia stava cominciando a prendere piede ed era diventata molto in voga. Anche i “profani” del settore utilizzavano i microscopi per osservare la realtà. Un esempio è il mercante olandese Leeuwenhoek, il quale, analizzando alcune gocce d’acqua di uno stagno, si rese conto che queste contenevano decine di “animaliculi” che brulicavano. Fu proprio lui il primo a descrivere diverse morfologie batteriche, e questo, anche grazie all’influenza di Hooke, gli garantì la fama mondiale. Tuttavia, fino al 1830 non si diede molta importanza alle cellule. Nel 1838 Schleiden e Schwann elaborarono i primi due principi della teoria cellulare:

1. Tutti gli organismi sono formati da una o più cellule
2. La cellula è l’unità strutturale della vita
Tuttavia, i due non avevano portato avanti delle conclusioni convincenti riguardo alle origini delle cellule, poiché credevano che le prime cellule si fossero originate da materiale non cellulare. Solo in seguito, nel 1855, Virchow stabilì il terzo principio della teoria cellulare:
3. Tutte le cellule sono originate solo per divisione delle cellule preesistenti
La cellula è l’unità fondamentale dei viventi. Ogni organismo è formato da cellule e tutti gli elementi cellulari derivano da cellule preesistenti. Ogni cellula, all’origine, può essere considerata totipotente (come le cellule staminali) poiché contiene tutte le info genetiche per dare origine all’organismo di provenienza (oppure per specializzarsi in uno specifico tessuto). Le cellule sono capaci di:
• Riprodursi
La riproduzione avviene tramite divisione meiotica, un processo attraverso il quale da una cellula madre si originano due cellule figlie genotipicamente identiche. Di solito la quota di citoplasma è identica, eccezion fatta per gli ovociti (che si dividono per meiosi). In cui in alcuni casi, infatti, una delle cellule può trattenere più citoplasma.
• Acquisire energia per utilizzarla
La valuta energetica della cellula, di qualsiasi tipo essa sia, è l’adenosina trifosfato o ATP. Questa molecola è il mezzo attraverso cui l’energia viene immagazzinata dalle cellule. Ci sono diversi tipi di energia che le cellule sono capaci di assorbire. Le cellule vegetali, per esempio, acquisiscono energia luminosa attraverso i pigmenti colorati contenuti nei cloroplasti; nelle cellule animali l’energia è di tipo biologico ed arriva già preconfezionata sotto forma di glucosio, che nell’uomo viene immagazzinato nel fegato come glicogeno.
• Svolgere una serie di reazioni chimiche
Le reazioni chimiche cellulari sono tutte catalizzate da enzimi, proteine capaci di abbassare la soglia di attivazione di una reazione. L’insieme delle reazioni viene chiamato metabolismo, che a sua volta si divide in anabolismo e catabolismo. Le reazioni anaboliche sono quelle che richiedono energia per formare nuove molecole, mentre quelle cataboliche demoliscono composti energetici (come il glucosio) per liberare energia. Gli organismi che svolgono reazioni anaboliche come la fotosintesi si dicono autotrofi, altrimenti si dicono eterotrofi, come i mammiferi.
• Svolgere attività meccaniche
Le cellule svolgono un’intensa attività. La cellula può muoversi, smantellare strutture, costruirne di nuove, trasportare materiali al di fuori della membrana o all’interno. Tali attività dipendono da modificazione insite alla cellula, e più nello specifico da alcune particolari proteine dette “proteine motore”.
• Rispondere agli stimoli
Alcune cellule sono capaci di rispondere agli stimoli in modo evidente, come i protisti unicellulari che si spostano quando davanti a loro trovano un ostacolo. La maggior parte delle cellule, invece, risponde agli stimoli in maniera non visibile. La superficie delle cellule è infatti rivestita di recettori altamente specifici, capaci di riconoscere ormoni, fattori di crescita, materiali extracellulari o sostanze presenti sulla superficie di altre cellule. I recettori rappresentano l’accesso attraverso il quale molecole esterne determinano cambiamenti nella cellula bersaglio. Questi cambiamenti (risposte) includono: divisione cellulare, apoptosi, stimolazione di attività metaboliche e così via.
• Autoregolarsi
Il mantenimento di uno stato complesso e ordinato richiede non solo energia, ma anche una costante regolazione. Tutte le reazioni all’interno della cellula avvengono a catena e in modo non conscio. Ogni reazione avviene in maniera spontanea innescandone un’altra in modo totalmente automatico. Quando questi processi subiscono falle o interruzioni, le conseguenze per l’organismo potrebbero essere disastrose. Un esperimento che dimostra appieno la capacità autoregolatrice delle cellule è quello compiuto dall’embriologo tedesco Driesch nel 1891. Egli si accorse che, separando le prime due o quattro cellule dall’embrione di un riccio di mare, da queste si formavano degli embrioni completi. Il motivo per cui una parte dell’embrione avesse la “percezione” dell’intero non è mai stata chiarita, nemmeno oggi.
• Evolversi
Attorno alla nascita delle prime cellule esistono solo congetture. Per quanto riguarda invece l’evoluzione di queste, osservando gli organismi viventi di oggi si è arrivati ad alcune conclusioni. Per esempio, la teoria endosimbiontica afferma che i mitocondri delle cellule eucariote altro non sono che cellule procariote che, nel corso dell’evoluzione, hanno sviluppato una simbiosi con delle cellule più evolute. Per esempio, i batteri che vivono nell’intestino umano sono strutturalmente molto simili alle cellule che compongono l’epitelio intestinale umano. Questo perché, molto probabilmente, entrambe derivano da un’unica cellula ancestrale.

La biogenesi

Secondo le stime attuali, la Terra si è formata circa 4 miliardi di anni fa. Durante il primo miliardo di anni la storia del nostro pianeta è stata molto travagliata: bombardata da meteoriti e comete, riscaldata dal decadimento delle sostanze radioattive presenti al suo interno, la Terra si è trasformata in una massa fusa che successivamente si è raffreddata, sviluppando una crosta solida caratterizzata da un’intensa attività vulcanica.
In seguito a queste trasformazioni, la prima atmosfera di idrogeno è stata sostituita dalla seconda atmosfera primordiale, costituita probabilmente da monossido e diossido di carbonio (CO e CO2), azoto (N2) e da piccole quantità di metano (CH4) e ammoniaca (NH3) mescolati con vapore acqueo. Intanto, si sarebbero formati i primi oceani per condensazione del vapor d’acqua presente nell’atmosfera e per l’azione delle comete: questi corpi celesti carichi di ghiaccio, colpendo la Terra, vi avrebbero portato grandi volumi d’acqua.
In queste particolari condizioni chimico-fisiche è possibile che semplici molecole inorganiche abbiano prodotto piccole molecole biologiche. Oggi queste reazioni non possono avvenire spontaneamente, sia perché l’atmosfera attuale è ricca di ossigeno che contrasta lo svolgimento di simili processi, sia perché manca una fonte di energia adeguata nell’ambiente; 4 miliardi di anni fa, invece, le condizioni erano ideali.

L’esperimento di Miller-Urey

La formazione delle biomolecole da molecole inorganiche potrebbe dunque essere avvenuta nell’atmosfera primordiale, come è stato dimostrato dall’esperimento di Miller e Urey. Nel 1953 i due scienziati misero a punto un esperimento per verificare se fosse possibile ottenere materia organica da composti inorganici.

Innanzitutto, essi predisposero un’atmosfera sperimentale contenente i gas che ritenevano fossero presenti nell’atmosfera primitiva della Terra: idrogeno, ammoniaca, metano e vapore acqueo. Fecero quindi passare attraverso questi gas una scarica elettrica che simulasse un fulmine; poi raffreddarono il sistema per far condensare i gas, che raccolsero in soluzione acquosa: ne risultò una sorta di brodo primordiale, l’oceano di 3,8 miliardi di anni fa.
Nel giro di pochi giorni il sistema arrivò a contenere molte molecole complesse, fra cui amminoacidi (i costituenti delle proteine), purine e pirimidine (i costituenti del DNA): era la prova che le componenti minime della vita potevano originarsi dalla materia inorganica.

L’esperimento di Pasteur

Pasteur ideò il seguente esperimento: preparò un brodo ricco di sostanze nutritive e lo fece bollire in una boccia di vetro da lui progettata, dotata di un lungo collo sottile a forma di S. In questo modo, il calore avrebbe ucciso tutte le spore presenti nel contenitore. Dopo qualche tempo le spore, trasportate dall’aria, avrebbero potuto ricominciare a entrare nel recipiente raffreddato: Pasteur, però, previde che esse sarebbero rimaste intrappolate nel tratto iniziale del collo, senza riuscire a raggiungere il brodo. La previsione di Pasteur si rivelò esatta: anche dopo mesi, il brodo contenuto nella boccia rimaneva limpido e non si formava alcuna muffa. Nella parte iniziale del recipiente, invece, si era accumulato il pulviscolo che, entrato dall’apertura, non era riuscito a superare il tratto ricurvo del collo. Gli scettici risposero che la muffa non si era formata perché l’ebollizione aveva ucciso il principio vitale contenuto nel brodo. Per rispondere a questa obiezione, Pasteur ripeté l’esperimento: questa volta, dopo l’ebollizione, ruppe il collo del recipiente, in modo che le spore potessero raggiungere il brodo. Dopo qualche giorno, nonostante il riscaldamento subito, sul brodo si formava la muffa, dimostrando che questa era causata dalle spore.


Classificazione dei viventi

Gli organismi possono essere suddivisi in 5 regni. Ogni regno si differenzia dall’altro per struttura e modalità di nutrizione degli organismi che vi fanno parte. Questi sono:
1. Monera: comprende batteri e organismi unicellulari procarioti (privi di nucleo)
2. Protista: protozoi, eucarioti unicellulari (con nucleo)
3. Funghi: comprende eucarioti pluricellulari come muffe, lieviti e funghi. Questi organismi assorbono il nutrimento dal proprio ambiente e lo digeriscono in sede intracellulare.
4. Plantae: eucarioti pluricellulari capaci di trasformare – attraverso la fotosintesi – l’energia luminosa in energia chimica.
5. Animalia: eucarioti pluricellulari che dipendono da altri organismi per sopravvivere. La digestione del cibo avviene in ambito extracellulare e in seguito i nutrienti vengono assorbiti.

Una cellula procariotica del regno delle monere: il batterio Pseudomonas aeruginosa

Si prende ad esempio questo batterio perché è quello che – nella sua semplicità – fornisce un esempio della complessità funzionale di queste cellule. La sua capacità di resistere agli antibiotici, inoltre, gli garantisce un notevole successo evolutivo.
Aspetti condivisi da tutte le cellule procariotiche:
• Membrana plasmatica (plasmalemma), struttura fosfolipidica che isola la cellula dall’ambiente e regola gli scambi di sostanze
• Nucleoide, regione non delimitata da alcuna membrana atta a contenere il materiale genetico sotto forma di unica molecola circolare senza proteine associate
• Citoplasma, il resto del materiale cellulare che contiene ribosomi (con 3 molecole di RNA e oltre 50 proteine differenti), più la parte più acquosa, il citosol, che contiene enzimi e molecole utili.
Aspetti condivisi solo da alcuni procarioti:
• Parete cellulare, un unico complesso molecolare di rivestimento formato da peptidoglicano (polimero di amminozuccheri)
• Capsula batterica, una sostanza gelatinosa – sempre di rivestimento – formata da lipopolisaccaridi. Garantisce azione antifagocitaria poiché le cellule immunitarie non riconoscono immediatamente il batterio incapsulato come antigene
• Flagelli, costituiti da una proteina – la flagellina. Permettono il movimento.
• Pili o fimbrie, servono sia nei meccanismi di adesione tra batteri (coniugazione batterica) sia nei confronti delle callule animali (processi infettivi).


Si pensa che tutti gli organismi che vivono sulla terra derivino da una singola cellula nata 3 miliardi di anni fa. In seguito, circa 1,5 miliardi di anni fa alcune cellule procariotiche (vari tipi di batteri) transitarono all’interno di cellule eucariotiche più grandi e complesse, come quelle di piante e animali. 1,5 miliardi di anni fa comparvero le prime cellule eucariotiche aerobie ed autotrofe.
Le più antiche impronte lasciate da organismi viventi risalgono a quelle dei batteri di 3,8 miliardi di anni fa. Per almeno un miliardo di anni la Terra rimase senza O2 e di conseguenza è ovvio pensare che i primi organismi fossero tutti anaerobi.
Archeobatteri: anaerobi ed eterotrofi, si trovano nelle condizioni ambientali più estreme, come paludi, abissi, sorgenti bollenti acide e saline. Tra questi distinguiamo: metanogeni, termoacidofili ed alofili.
Solfobatteri: anaerobi e chemioautotrofi, svolgono una fotosintesi anaerobia attraverso la batterioclorofilla e a pigmenti come carotenoidi rossi e gialli. Ricavano energia utilizzando composti dello zolfo prodotti dall’attività vulcanica dei fondali marini. Questa energia chimica viene utilizzata per produrre ATP, NADPH+ e H+.
Cianobatteri: anaerobi fotoautotrofi, sono capaci di compere la fotosintesi aerobia e di fissare l’azoto. I cianobatteri sono responsabili del cambiamento radicale del pianeta terra. Alcuni solfobatteri, infatti, evolutisi acquisendo la capacità di scindere l’acqua, hanno cominciato a liberare ossigeno che è entrato poi a far parte dell’atmosfera. Il metabolismo aerobico è più rapido e redditizio in termini di energia, pertanto l’evoluzione ha seguito questo binario.


Origine della cellula eucariotica

Teoria endosimbiontica di Lynn Margulis

L'ipotesi è che alcuni organismi biologici furono ingeriti da altri organismi e poiché ne trassero un vantaggio evoluzionistico di sopravvivenza reciproco, svilupparono una relazione simbiotica permanente che nelle generazioni è divenuta indissolubile e imprescindibile; come esempio viene postulato che, nel passato remoto del precambriano, un batterio aerobico (che richiede ossigeno) fu ingerito da un batterio anaerobio (possibilmente avvelenato da ossigeno) acquisendo un vantaggio reciproco e che continuando la loro relazione mutualistica abbiano superato evoluzionisticamente gli altri organismi in quell'ambiente; nel tempo il batterio interno ha perso o spostato materiale genetico nel nucleo dell'ospitante, per la codifica di tutto ciò che non era più necessario o superfluo.

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