Gli esseri viventi sono altamente organizzati e strutturati, seguendo una gerarchia di scala dal piccolo al grande (Figura 1). L’atomo è la più piccola e fondamentale unità della materia. Consiste in un nucleo circondato da elettroni. Gli atomi si combinano per formare molecole, che sono strutture chimiche composte da almeno due atomi tenuti insieme da un legame chimico. Nelle piante, negli animali e in molti altri tipi di organismi, le molecole si uniscono in modi specifici per creare strutture chiamate organelli. Gli organelli sono piccole strutture che esistono all’interno delle cellule e svolgono funzioni specializzate. Come discusso in dettaglio più avanti, tutti gli esseri viventi sono fatti di una o più cellule.
Nella maggior parte degli organismi multicellulari, le cellule si combinano per formare i tessuti, che sono gruppi di cellule simili che svolgono la stessa funzione. Gli organi sono collezioni di tessuti raggruppati in base a una funzione comune. Gli organi sono presenti non solo negli animali ma anche nelle piante. Un sistema di organi è un livello superiore di organizzazione che consiste di organi funzionalmente correlati. Per esempio gli animali vertebrati hanno molti sistemi di organi, come il sistema circolatorio che trasporta il sangue in tutto il corpo e da e verso i polmoni; include organi come il cuore e i vasi sanguigni. Gli organismi sono entità viventi individuali. Per esempio, ogni albero in una foresta è un organismo.
Tutti gli individui di una specie che vivono in un’area specifica sono chiamati collettivamente una popolazione. Una comunità è l’insieme di diverse popolazioni che abitano un’area comune. Per esempio, tutti gli alberi, i fiori, gli insetti e le altre popolazioni di una foresta formano la comunità della foresta. La foresta stessa è un ecosistema. Un ecosistema consiste di tutti gli esseri viventi in un’area particolare insieme alle parti abiotiche, o non viventi, di quell’ambiente come l’azoto nel suolo o l’acqua piovana. Al più alto livello di organizzazione, la biosfera è l’insieme di tutti gli ecosistemi e rappresenta le zone di vita sulla Terra. Include terra, acqua e porzioni di atmosfera.
Teoria delle cellule
Chiudi gli occhi e immagina un muro di mattoni. Qual è l’elemento base di quel muro? È un singolo mattone, naturalmente. Come un muro di mattoni, il tuo corpo è composto da mattoni di base e i mattoni del tuo corpo sono le cellule. Il tuo corpo ha molti tipi di cellule, ognuna specializzata per uno scopo specifico. Proprio come una casa è fatta da una varietà di materiali da costruzione, il corpo umano è costruito da molti tipi di cellule. Per esempio, le cellule delle ossa aiutano a sostenere e proteggere il corpo. Le cellule del sistema immunitario combattono i batteri invasori. E i globuli rossi trasportano l’ossigeno in tutto il corpo. Ognuno di questi tipi di cellule svolge un ruolo vitale durante la crescita, lo sviluppo e il mantenimento quotidiano del corpo. Nonostante la loro enorme varietà, però, tutte le cellule condividono alcune caratteristiche fondamentali.
I microscopi che usiamo oggi sono molto più complessi di quelli usati nel 1600 da Antony van Leeuwenhoek, un negoziante olandese che aveva una grande abilità nella creazione di lenti. Nonostante le limitazioni delle sue lenti ormai antiche, van Leeuwenhoek osservò i movimenti degli organismi unicellulari e dello sperma, che chiamò collettivamente “animaletti”. In una pubblicazione del 1665 chiamata Micrographia, lo scienziato sperimentale Robert Hooke coniò il termine “cellula” (dal latino cella, che significa “piccola stanza”) per le strutture simili a scatole che osservava osservando il tessuto di sughero attraverso una lente. Negli anni 1670, van Leeuwenhoek scoprì i batteri e i protozoi. Alla fine degli anni 1830, il botanico Matthias Schleiden e lo zoologo Theodor Schwann studiavano i tessuti e proposero la teoria cellulare unificata, che afferma che tutti gli esseri viventi sono composti da una o più cellule, che la cellula è l’unità di base della vita e che tutte le nuove cellule nascono da cellule esistenti. Questi principi sono validi ancora oggi. Ci sono molti tipi di cellule, e tutte sono raggruppate in una delle due grandi categorie: procariotiche ed eucariotiche. Le cellule animali, vegetali, fungine e protiste sono classificate come eucariotiche, mentre le cellule di batteri e archei sono classificate come procariotiche.
Tutte le cellule hanno quattro componenti comuni: 1) una membrana plasmatica, un rivestimento esterno che separa l’interno della cellula dall’ambiente circostante; 2) il citoplasma, che consiste in una regione gelatinosa all’interno della cellula in cui si trovano altri componenti cellulari; 3) il DNA, il materiale genetico della cellula; e 4) i ribosomi, particelle che sintetizzano le proteine. Tuttavia, i procarioti differiscono dalle cellule eucariotiche in diversi modi.
Componenti delle cellule procariotiche
Una cellula procariotica è un semplice organismo unicellulare che manca di un nucleo o di qualsiasi altro organello legato alla membrana. Tra poco vedremo che questo è significativamente diverso negli eucarioti. Il DNA procariotico si trova nella parte centrale della cellula: una regione scura chiamata nucleoide (Figura 1).
A differenza degli Archaea e degli eucarioti, i batteri hanno una parete cellulare fatta di peptidoglicano (molecole composte da zuccheri e aminoacidi) e molti hanno una capsula di polisaccaridi. La parete cellulare agisce come uno strato extra di protezione, aiuta la cellula a mantenere la sua forma e previene la disidratazione. La capsula permette alla cellula di attaccarsi alle superfici del suo ambiente. Alcuni procarioti hanno flagelli, pili o fimbrie. I flagelli sono usati per la locomozione. I pili sono usati per scambiare materiale genetico durante un tipo di riproduzione chiamato coniugazione. Le fimbrie sono appendici proteiche usate dai batteri per attaccarsi ad altre cellule.
Cellule eucariotiche
Una cellula eucariotica è una cellula che ha un nucleo legato alla membrana e altri compartimenti legati alla membrana chiamati organelli. Ci sono molti tipi diversi di organelli, ognuno con una funzione altamente specializzata (vedi Figura 3). La parola eucariotica significa “vero nucleo” o “vero nucleo”, alludendo alla presenza del nucleo legato alla membrana in queste cellule. La parola “organello” significa “piccolo organo” e, come già detto, gli organelli hanno funzioni cellulari specializzate, proprio come gli organi del tuo corpo hanno funzioni specializzate.
Dimensioni delle cellule
Con un diametro di 0,1-5,0 µm, la maggior parte delle cellule procariotiche sono significativamente più piccole delle cellule eucariotiche, che hanno un diametro di 10-100 µm (Figura 3). Le piccole dimensioni dei procarioti permettono agli ioni e alle molecole organiche che vi entrano di diffondersi rapidamente in altre parti della cellula. Allo stesso modo, qualsiasi rifiuto prodotto all’interno di una cellula procariotica può uscire rapidamente. Tuttavia, le cellule eucariotiche più grandi hanno evoluto diversi adattamenti strutturali per migliorare il trasporto cellulare. Infatti, le grandi dimensioni di queste cellule non sarebbero possibili senza questi adattamenti. In generale, le dimensioni delle cellule sono limitate perché il volume aumenta molto più rapidamente della superficie cellulare. Man mano che una cellula diventa più grande, diventa sempre più difficile per la cellula acquisire materiali sufficienti per sostenere i processi all’interno della cellula, perché la dimensione relativa della superficie attraverso cui i materiali devono essere trasportati diminuisce.
Cellule animali contro cellule vegetali
Nonostante le loro somiglianze fondamentali, ci sono alcune differenze sorprendenti tra le cellule animali e vegetali (Figura 3). Le cellule animali hanno centrioli, centrosomi e lisosomi, mentre le cellule vegetali no. Le cellule vegetali hanno una parete cellulare rigida che è esterna alla membrana plasmatica, cloroplasti, plasmodesmata e plastidi usati per l’immagazzinamento, e un grande vacuolo centrale, mentre le cellule animali no.
Cloroplasti
Da una prospettiva ecologica, i cloroplasti sono un tipo di organello particolarmente importante perché svolgono la fotosintesi. La fotosintesi è alla base delle catene alimentari nella maggior parte degli ecosistemi. I cloroplasti si trovano solo nelle cellule eucariotiche come le piante e le alghe. Durante la fotosintesi, l’anidride carbonica, l’acqua e l’energia luminosa sono usati per produrre glucosio e ossigeno molecolare. Una grande differenza tra le alghe/piante e gli animali è che le piante/alghe sono in grado di produrre il proprio cibo, come il glucosio, mentre gli animali devono ottenere il cibo consumando altri organismi.
I cloroplasti hanno membrane esterne e interne, ma all’interno dello spazio racchiuso dalla membrana interna di un cloroplasto c’è un insieme di sacche di membrana interconnesse e impilate, piene di fluido, chiamate tilakoidi (Figura 4 sotto). Ogni pila di tilakoidi è chiamata granum (plurale = grana). Il fluido racchiuso dalla membrana interna e che circonda il grana è chiamato stroma. Ogni struttura all’interno del cloroplasto ha una funzione importante, che è resa possibile dalla sua particolare forma. Un tema comune in biologia è che forma e funzione sono correlate. Per esempio, le pile ricche di membrana dei tilakoidi forniscono un’ampia superficie per incorporare le proteine e i pigmenti che sono vitali per la fotosintesi.
Attribuzione
“Essentials of Environmental Science” by Kamala Doršner is licensed under CC BY 4.0. “Levels of Organization of Living Things” di Open Stax è rilasciato con licenza CC BY 4.0. Modificato dagli originali da Matthew R. Fisher.