Gli esseri viventi sono fatti di cellule

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1 u1 lezione 2 Gli esseri viventi sono fatti di cellule Piccoli mattoni per la vita Nel 1665 Robert Hooke osservò con un rudimentale microscopio (Qualcosa in + su... a p ) alcune fettine di sughero, scoprendo che erano costituite da tante piccolissime cavità. Il biologo inglese le chiamò cellule, che in latino significa cellette 1. Più tardi si scoprì che la cellula è l unità base della vita: tutti gli organismi sono infatti costituiti di cellule. Vi sono organismi unicellulari, ovvero composti da una sola cellula, e pluricellulari, cioè composti da più cellule 2. Ogni cellula nasce, si nutre, respira, trasforma le sostanze per ricavarne energia, si riproduce, e così via. In poche parole, presenta tutte le caratteristiche della vita. La cellula è la più piccola parte di un essere vivente che ne conserva le caratteristiche fondamentali. Come è fatta una cellula Per capire come fa una cellula a svolgere tutte le funzioni che caratterizzano la vita, prendiamo in esame la cellula di un organismo pluricellulare animale 3. Essa si compone principalmente di tre parti: la membrana cellulare, un involucro che la circonda interamente; il citoplasma, una masserella gelatinosa nella quale sono immerse piccole strutture chiamate organuli cellulari, ognuna delle quali svolge una specifica attività; il nucleo, che ha il compito di coordinare tutte le attività della cellula e che contiene il materiale ereditario. Come funziona una cellula Come ogni essere vivente, anche una cellula assume sostanze dall esterno, le rielabora ottenendo i materiali e l energia di cui ha bisogno per vivere, si libera degli scarti. La movimentazione dei materiali avviene soprattutto attraverso la membrana cellulare, i canali del reticolo endoplasmatico e le vescicole rilasciate dall apparato di Golgi, un insieme di membrane che funge principalmente da magazzino. I prodotti di scarto vengono espulsi direttamente attraverso la membrana cellulare oppure distrutti all interno di vescicole chiamate lisosomi. L energia viene ottenuta attraverso il processo di respirazione, che avviene all interno di organuli chiamati mitocondri. La costruzione delle proteine materiali essenziali per la vita viene svolta grazie ai ribosomi. Infine, il materiale ereditario racchiuso nel nucleo contiene tutte le informazioni genetiche necessarie per dirigere la costruzione delle proteine e per dirigere le funzioni cellulari. Quando la cellula si riproduce, all interno del nucleo il materiale ereditario si addensa formando i cromosomi, piccole strutture a forma di bastoncino. glossario La parola cromosoma deriva dal greco chroma (colore) e soma (corpo). I cromosomi sono infatti colorati con sostanze apposite che li rendono visibili al microscopio. 1 Sughero al microscopio Ecco il disegno che Hooke fece di ciò che vide al microscopio. Il reticolo era formato da ciò che rimaneva delle cellule morte di una quercia da sughero. 2 Unicellulari e pluricellulari La giardia è un esempio di organismo unicellulare: può arrivare a misurare dai 10 a 20 micrometri di lunghezza (un micrometro è pari a un millesimo di millimetro). Ingrandendo 40 volte un frammento di elodea, una pianta acquatica, possiamo osservare che è formato da tante cellule addossate le une alle altre. L elodea è infatti un organismo pluricellulare. 6

2 3 Dentro una cellula animale L apparato di Golgi, formato da numerose membrane appiattite e da vescicole, ha il compito di immagazzinare le sostanze prodotte dalla cellula prima di liberarle nel citoplasma o inviarle all esterno. osservare per capire La membrana cellulare, oltre a proteggere la cellula, la separa dall ambiente esterno e regola gli scambi tra l interno e l esterno. Il nucleo è una struttura tondeggiante, separata dal citoplasma dalla membrana nucleare. All interno del nucleo sono presenti uno o più nucleoli, coinvolti nella produzione delle proteine, sostanze fondamentali per la vita della cellula. Nel citoplasma, composto da acqua, sali minerali e sostanze organiche, avvengono tutti quei processi che consentono alla cellula di vivere. la vita unità 1 Il fenomeno vita I vacuoli sono vescicole che hanno la funzione di deposito per l acqua, le sostanze nutritive o quelle di rifiuto. Il reticolo endoplasmatico è un complesso sistema di canali, collegati tra loro, che trasporta le sostanze da un punto all altro della cellula. I lisosomi sono vescicole tondeggianti che demoliscono le sostanze di rifiuto presenti nella cellula. I mitocondri sono paragonabili a centrali di produzione di energia. In essi avviene il processo della respirazione cellulare, durante il quale l ossigeno brucia le sostanze nutritive e si libera l energia necessaria per il metabolismo della cellula. I ribosomi sono piccoli organuli che servono alla costruzione delle proteine; possono essere liberi nel citoplasma oppure aderire alle membrane del reticolo endoplasmatico (nella foto sono le piccole sfere gialle). 7

3 u1 lezione 2 Gli scambi con l esterno Le cellule hanno bisogno di scambiare in continuazione varie sostanze con l ambiente esterno. Per far passare attraverso la membrana cellulare le molecole di grandi dimensioni vengono attivati processi chimici complessi. Le molecole più piccole, invece, possono passare in modo più semplice, grazie alla presenza di acqua fuori e dentro la cellula, che rende possibili i processi di osmosi e di diffusione. Il processo di osmosi 4 avviene quando due soluzioni con una diversa concentrazione sono separate da una membrana che lascia passare l acqua, ma non le molecole che vi si trovano disciolte. In questo caso, l acqua si sposta attraverso la membrana andando a diluire la soluzione più concentrata. Se le molecole sono molto piccole, come quelle dell ossigeno, esse attraversano la membrana cellulare per mezzo di un altro meccanismo chiamato diffusione. In questo caso, le molecole tendono a spostarsi dalla zona dove sono più concentrate a quella dove lo sono meno. Le particolarità delle cellule vegetali Come ricorderai, i vegetali hanno un diverso modo di nutrirsi rispetto agli animali. Questo comporta alcune differenze nella loro struttura cellulare 5. Le cellule vegetali possiedono organuli specializzati, i cloroplasti, all interno dei quali si svolge la fotosintesi clorofilliana. I cloroplasti, tuttavia, non sono presenti in tutte le cellule di una pianta, ma solo nelle foglie e nelle altre parti verdi. Un altra differenza importante è costituita dalla presenza di un involucro robusto, la parete cellulare, che circonda la membrana. La parete è responsabile della rigidità e della forma regolare delle cellule vegetali; nelle osservazioni al microscopio, questa caratteristica permette di distinguerle facilmente da quelle animali che presentano, invece, una forma irregolare 6. Infine, i vacuoli delle cellule vegetali sono più grandi rispetto a quelli delle cellule animali: gonfiandosi di acqua, contribuiscono alla distensione delle foglie e al sostegno della pianta. In alcuni casi svolgono anche una funzione di riserva: per esempio, i vacuoli delle cellule di patata contengono granuli di amido, una riserva di energia per la pianta. Procarioti ed eucarioti Finora abbiamo analizzato la struttura delle cellule di cui sono fatti tutti gli organismi pluricellulari, animali, vegetali, funghi, e gli organismi unicellulari più complessi. Questo tipo di cellula, con un nucleo ben delimitato e organuli cellulari, viene chiamato cellula eucariote. Gli esseri viventi costituiti da queste cellule sono detti organismi eucarioti. Vi sono però anche organismi unicellulari molto glossario La parola eucariote deriva dal greco eu (vero) e karyon (nucleo). La parola procariote deriva dal greco pro (prima) e karyon (nucleo). più semplici, in cui il materiale ereditario non è racchiuso all interno della membrana nucleare, ma è libero nel citoplasma. Questo tipo di cellula, privo di un vero nucleo e della maggior parte di organuli (sono presenti solo numerosi ribosomi sparsi nel citoplasma), è chiamato cellula procariote 7. Gli organismi formati da queste cellule semplici sono detti organismi procarioti. (Qualcosa in + su... a p ) 4 Osmosi Per effetto dell osmosi, gli acini di uva passa, immersi per alcune ore nell acqua, diventano morbidi e gonfi: l acqua è entrata nelle loro cellule passando dalla soluzione più diluita a quella più concentrata, finché le due soluzioni hanno raggiunto la medesima concentrazione. uvetta molecole di zucchero acqua calda uvetta ragioniamo di scienze 6 Cellule animali e vegetali a confronto osserva Le due immagini mostrano cellule animali e cellule vegetali colorate e fotografate al microscopio ottico. Osserva le differenze. a ipotizza acqua Quale fotografia rappresenta le cellule animali e quale le cellule vegetali? Quale osservazione ti ha permesso di distinguere le une dalle altre? 8

4 5 Dentro una cellula vegetale membrana cellulare lisosoma mitocondrio La parete cellulare è un involucro rigido, costituito da cellulosa. Oltre ad avere una funzione protettiva, la parete permette alla cellula vegetale di conservare la sua forma. apparato di Golgi osservare per capire membrana nucleare nucleo nucleolo All interno dei cloroplasti si svolge la fotosintesi clorofilliana. Essi contengono granuli di clorofilla, il pigmento verde tipico delle piante. ribosomi reticolo endoplasmatico citoplasma I vacuoli delle cellule vegetali spesso tendono a confluire tra loro per formare un unico grande vacuolo centrale, ripieno di liquido e sostanze, che può occupare addirittura anche il 90% del citoplasma. la vita unità 1 Il fenomeno vita 7 La cellula procariote Gli organismi molto primitivi, come questi batteri, sono formati da una cellula procariote. In questo caso, non è presente un vero e proprio nucleo, ma il materiale ereditario è libero nel citoplasma. facciamo il punto Completa le seguenti frasi: 1. La produzione di energia avviene all interno dei Nelle cellule vegetali, la fotosintesi avviene all interno dei..., grazie alla presenza di un pigmento verde, la La cellula... contiene un vero nucleo, mentre nella cellula... il materiale ereditario è libero nel citoplasma. Rispondi: 1. Quali sono le caratteristiche comuni a tutte le cellule? 2. Perché è indispensabile la presenza di materiale ereditario all interno della cellula? 3. Attraverso quali meccanismi le sostanze entrano ed escono dalla cellula? 9

5 u1 lezione 3 Dalla cellula all organismo La specializzazione cellulare Negli organismi pluricellulari le cellule, anche se in grado di svolgere tutte le funzioni vitali, non hanno la capacità di vivere autonomamente e fanno parte di una struttura più complessa, dalla quale dipendono. Una cellula della pelle, per esempio, non è in grado di ottenere da sola il nutrimento e l ossigeno di cui necessita per vivere e per compiere le sue funzioni; questo lavoro viene svolto da altre cellule dell organismo, incaricate di fornirle tutti i materiali che le occorrono. In altre parole, le cellule si sono specializzate, assumendo forme e funzioni particolari, a seconda del compito che devono svolgere 1 2. I tessuti Cellule con forma, caratteristiche e funzioni simili costituiscono un tessuto. Un tessuto, quindi, è formato da cellule uguali o simili tra loro. Negli animali, i tessuti possono essere raggruppati in quattro categorie: i tessuti epiteliali, con funzioni di rivestimento e di protezione; i tessuti connettivi, che possono avere diverse funzioni, come il sostegno (tessuto osseo) o l accumulo di sostanze di riserva (tessuto adiposo); i tessuti muscolari, che consentono i movimenti dell organismo, grazie alla capacità di contrarsi delle proprie cellule; il tessuto nervoso, capace di ricevere e trasmettere gli stimoli nervosi. Anche nelle piante sono presenti diversi tipi di tessuti: il tessuto conduttore, per esempio, è costituito da cellule specializzate nel trasporto di sostanze nutritive e acqua. Gli organi I diversi tipi di tessuto si associano per contribuire, ciascuno con la propria funzione, allo svolgimento di uno stesso compito. Un insieme di tessuti che collaborano a uno stesso compito costituiscono un organo. Lo stomaco 3, il cuore, i polmoni, le ossa sono esempi di organi presenti in molti organismi animali. Nei vegetali, esempi di organi sono le radici oppure le foglie. Gli apparati e i sistemi Organi diversi che concorrono a svolgere uno stesso compito formano un apparato o un sistema. I termini apparato e sistema vengono, in genere, utilizzati per indicare rispettivamente un gruppo di organi costituiti da tessuti diversi, come nell apparato digerente, o dal medesimo tipo di tessuto, come nel sistema muscolare. L insieme di più apparati e sistemi che funzionano in modo coordinato tra loro forma un organismo, cioè un singolo individuo capace di vita indipendente 4. 1 Cellule specializzate A ogni tipo di funzione, corrisponde nelle cellule una forma ben precisa: quella più adatta al compito che esse devono svolgere. Ad esempio: la cellula epiteliale è generalmente piatta, perché serve a rivestire le superfici interne ed esterne degli organismi; la cellula nervosa ha molti prolungamenti per poter trasmettere l impulso nervoso; la cellula muscolare è affusolata e deve essere in grado di contrarsi. ragioniamo di scienze 2 Forma e funzione osserva Ecco due cellule animali ingrandite con il microscopio elettronico a scansione. Osservale e descrivile. a ipotizza Riflettendo sulla loro forma, ipotizza quale sia la loro funzione, scegliendo fra queste: 1) formare con altre cellule una rete di trasmissione di impulsi A nessuna delle due 2) scorrere in un liquido trasportando sostanze A nessuna delle due 3) formare con altre cellule una parete di rivestimento A nessuna delle due dendriti assone corpo cellulare 10

6 3 Un organo è fatto di diversi tessuti osservare per capire In questo disegno vedi una sezione ingrandita della parete dello stomaco, l organo in cui si compie la prima parte della digestione. Un particolare tipo di tessuto epiteliale riveste l interno dello stomaco. Esso è trapuntato di fossette in cui si trovano ghiandole che secernono i succhi gastrici e cellule che producono muco. Più sotto si trova uno strato di tessuto connettivo, percorso da vasi sanguigni e terminazioni nervose. Esternamente, lo stomaco è rivestito di tessuto muscolare : esso consente allo stomaco di contrarsi per rimescolare il cibo. 4 L organizzazione gerarchica nel corpo di un animale Ogni cellula svolge funzioni specifiche all interno di tessuti, i quali costituiscono organi che a propria volta compongono apparati e sistemi. L insieme degli apparati e dei sistemi costituisce l organismo. Osserviamo il caso di una cellula a calice proveniente dallo stomaco di un gatto: CELLULA Questa cellula a calice è specializzata per secernere muco. TESSUTO Le cellule a calice sono presenti nel tessuto epiteliale che riveste l interno dello stomaco. ORGANO Lo stomaco è un organo a forma di sacca che fa parte dell apparato digerente. la vita unità 1 Il fenomeno vita ORGANISMO L organismo, in questo caso un gatto, vive grazie al funzionamento coordinato di vari apparati e sistemi. APPARATO L apparato digerente serve per digerire e assimilare gli alimenti. Completa le seguenti frasi: 1. Un insieme di cellule simili e che collaborano per svolgere la stessa funzione costituisce un Ogni apparato è formato da un insieme di... diversi. facciamo il punto Rispondi: 1. Perché le cellule degli organismi pluricellulari non sono tutte identiche tra loro? 2. Come vengono classificati i tessuti animali? 3. Anche le piante possiedono tessuti e organi? Fai un esempio. 4. Qual è la differenza tra i termini apparato e sistema? 11

7 SPLORAZIONI E Paesaggi microscopici I TESSUTI CHE COMPONGONO IL NOSTRO CORPO SONO COSÌ DIVERSI DA QUELLI DELLE PIANTE? Naturalmente vi sono delle evidenti differenze. Però anche qualche analogia, legata alle funzioni che svolgono. Perlustriamo, con un microscopio elettronico a scansione, una foglia di bosso... e il dito del giardiniere che lo sta coltivando! a Partendo dall esterno, osserviamo i tessuti che compongono la PELLE: a in superficie troviamo tessuti di rivestimento piuttosto compatti, che svolgono principalmente una funzione protettiva; più in basso, la colorazione artificiale in verde ha messo in evidenza gli strati di tessuto connettivo. Scendendo più in profondità, incontriamo i MUSCOLI. La microfotografia evidenzia i caratteristici fasci di fibre del tessuto muscolare. Queste sono formate da cellule molto allungate che, scorrendo le une sulle altre, consentono al muscolo di contrarsi. 12

8 a c Osservando una sezione trasversale di una FOGLIA, si vedono: a tessuti di rivestimento, formati da cellule addossate le une alle altre; tessuti di riempimento; c tessuti conduttori, che formano tanti piccoli tubicini in cui scorre la linfa. In questa sezione, il fascetto centrale di vasi conduttori corrisponde alla nervatura centrale della foglia. la vita unità 1 Il fenomeno vita c Più in profondità troviamo le OSSA. Anche il tessuto osseo, che può essere compatto o spugnoso è un tipo di tessuto connettivo. c I muscoli, come tutti gli altri organi del corpo, sono irrorati di SANGUE. Il sangue è un tessuto connettivo molto particolare, in cui la sostanza intercellulare è liquida. La foto mostra dei globuli rossi all interno di un vaso sanguigno. 13