Come si studiano i viventi? (Questa presentazione è stata necessariamente pubbilicata senza le immagini, a causa del “peso” eccessivo; chi desiderasse avere la versione integrale mi fornisca il supporto portatile personale sul quale potrò trasferire la stessa direttamente. Lo stesso discorso vale per gli appunti proteine2).

.. E dopo le molecole? Fino a questo punto abbiamo conosciuto alcune classi di biomolecole: i lipidi, i carboidrati, le proteine. Le biomolecole rappresentano il livello di organizzazione fondamentale, sono le più piccole strutture che possiamo considerare veri “oggetti biologici”. A partire da questo livello di organizzazione ora vedremo quali sono i livelli superiori.

I livelli di organizzazione Molecole Aggregati supermolecolari Organuli cellulari Cellule Tessuti Organi Apparati e sistemi Organismi Popolazioni Specie Questa serie rappresenta uno schema gerarchico dei diversi gradi di organizzazione a livello dei quali possiamo studiare le strutture biologiche. La separazione che vediamo non deve farci dimenticare che la strategia biologica generale è sempre molto unitaria e coerente.

Le molecole formano strutture super-molecolari Questo termine significa che le biomolecole si possono aggregare formando oggetti più complessi. Una di queste strutture l’abbiamo già incontrata: è la membrana cellulare, che è l’unione di lipidi e di proteine. Le stesse proteine possono rientrare in questa categoria, quando sono formate dall’unione di più polipeptidi (proteine quaternarie), e spesso anche di un gruppo prostetico. Altre strutture super-molecolari sono ad esempio i ribosomi, formati da proteine e acidi nucleici. Lo stesso vale per i cromosomi. Anche i virus possono rientrare in questo livello di organizzazione.

La cellula contiene molti organuli Studiando il trasporto di membrana (v. pagina di appunti) abbiamo compreso che le cellule, tranne quelle batteriche, contengono al loro interno molti compartimenti specializzati, ciascuno delimitato da una membrana. Per indicare questi compartimenti si usa l’espressione organuli (o organelli) sub-cellulari.

La cellula Molti organismi sono formati da un’unica cellula (unicellulari), altri sono formati da più cellule tutte uguali. La maggior parte degli organismi sono formati da molte cellule di tipo diverso, specializzate nello svolgimento di una funzione particolare. Lo studio delle cellule si chiama citologia.

I tessuti Generalmente molte cellule dello stesso tipo sono associate per formare i tessuti. La quantità di cellule in un tessuto è tale da garantire che la loro specifica funzione sia svolta nella quantità necessaria all’organismo. Esempi: il legno delle piante è un tessuto vascolare, il tessuto muscolare negli animali. Lo studio dei tessuti si chiama istologia.

Gli organi Gli organi sono in generale formati da più tessuti diversi. L’organo è una parte di un organismo alla quale possiamo attribuire una o più funzioni ben precise. Esempi: la foglia di una pianta, una ghiandola, un osso dello scheletro. Il significato storico del termine anatomia indica lo studio degli organi.

I sistemi e gli apparati Questo livello di organizzazione è rappresentato dagli insiemi di organi associati nel perseguimento di una o più funzioni vitali. Si usa il termine sistema quando esiste una relativa omogeneità istologica fra i diversi organi (es: sistema nervoso).

L’organismo Gli apparati si complementano nella formazione di un individuo, o organismo. L’organismo biologico è un insieme di strumenti (caratteri) ciascuno dei quali svolge una funzione specializzata al fine di ottenere uno dei due scopi: 1) la sopravvivenza dell’organismo 2) la sua riproduzione.

La popolazione Più individui della stessa specie che interagiscono direttamente fra di loro formano una popolazione. Una popolazione possiede in generale una struttura con individui diversamente specializzati (maschi – femmine, gerarchie di gruppo, comunità di insetti, ecc..).

La specie Una specie è l’insieme delle sue popolazioni. Una specie è formata da tutti gli individui che sono potenzialmente interfecondi: essi si possono accoppiare generando prole a sua volta feconda. Questa definizione oggettiva di specie si applica naturalmente agli organismi con riproduzione sessuata.

Come si studiano gli organismi? L’etimo del termine anatomia ci fa comprendere il suo significato storico: l’anatomia nasce come lo studio morfologico macroscopico degli organismi. Oggi si parla di anatomia per indicare la descrizione di ogni struttura, anche microscopica, separata dal resto dell’organismo.

Struttura e funzione La descrizione morfologica precede di solito lo studio della funzione di una certa struttura. La fisiologia descrive le funzioni biologiche. La patologia descrive le disfunzioni (malattie).

L’anatomia si evolve Lo studio delle strutture segue da vicino lo sviluppo di tecniche di indagine. La microscopia nacque nel XVII secolo, e rappresentò un salto decisivo: i particolari microscopici rivelano aspetti molto interessanti. Nell’800, con il perfezionamento delle tecniche, esplose lo studio dell’anatomia microscopica.

Nascono le indagini “in vivo” Nel corso del XX secolo nuove tecniche hanno permesso di conoscere le strutture senza operare la dissezione: - radiografia: i raggi X attraversano il corpo e sono registrati su lastra fotografica (comprende anche la TAC); - ecografia: si utilizzano ultrasuoni; - endoscopia: fa uso di telecamere inserite nel corpo; - risonanza magnetica: mediante un campo magnetico si induce l’emissione di onde radio da parte dei vari organi; - scintigrafia: si inietta una sostanza radioattiva che poi viene localizzata; - termoscopia: è possibile distinguere aree a diversa temperatura.

Oltre l’anatomia L’indagine biologica, in particolare applicata all’uomo, si concentra oggi al livello molecolare. Dopo la scoperta di molti meccanismi cellulari la biologia si può “leggere” nei dettagli. Questo consente, e di più consentirà in futuro, non solo un intervento sulle cause delle malattie piuttosto che sugli effetti, ma anche la loro prevenzione.

La microscopia Detto questo ritorniamo alla morfologia, dalla quale si deve sempre partire. Il perfezionamento delle tecniche microscopiche ha portato anche ad una certa loro varietà. La prima distinzione che facciamo è fra microscopio ottico e microscopio elettronico.

La scala delle dimensioni

Il microscopio ottico: lo schema Si tratta del microscopio che fa uso di luce visibile per osservare un ingrandimento del preparato. La luce proviene da una sorgente (di solito una lampada), attraversa il campione, poi arriva all’occhio dell’osservatore. Un sistema di lenti (obiettivo + oculare) modifica il percorso della luce in modo da produrre un ingrandimento.

Lo strumento

La colorazione dei preparati I colori che si vedono nelle immagini ottenute con i microscopi sono sempre artificiali. I coloranti per microscopia ottica sono sostanze pigmentate che hanno specifica affinità chimica per determinate strutture. Essi sono necessari, altrimenti la sezione apparirebbe quasi trasparente. Il colorante deve essere scelto a seconda delle strutture che si vogliono evidenziare.

Quattro colorazioni diverse

Il microscopio elettronico è circa 100 volte più potente Gli elettroni hanno una lunghezza d’onda minore della luce, pertanto consentono una maggiore definizione. Le lenti ottiche sono sostituite da lenti magnetiche. Può funzionare con due principi diversi: - trasmissione (TEM) - scansione (SEM)

Il microscopio elettronico a trasmissione (TEM) Questo microscopio funziona con lo stesso principio del microscopio ottico: il fascio di elettroni attraversa il campione e l’immagine viene rilevata su uno schermo e fotografata. Il campione deve essere preventivamente “colorato” con metalli opachi agli elettroni. Il risultato è un’immagine bidimensionale in bianco e nero.

Vantaggio: maggiore ingrandimento che si può ottenere rispetto al microscopio ottico. Svantaggi: - costo elevato - preparazione dei campioni lunga e complessa.

Le micrografie al TEM sono facilmente riconoscibili. In questa immagine si possono distinguere i due strati di fosfolipidi della membrana esterna della cellula (plasmalemma). Ingrandimenti: 100000x, 185000x.

Il microscopio a scansione (SEM) Questo strumento funziona in base ad un principio diverso: il fascio di elettroni colpisce l’oggetto intero il quale li riflette per la presenza di un sottile strato metallico depositato sulla sua superficie. Il risultato è un’immagine tridimensionale del campione.

Alcuni batteri visti al microscopio elettronico a scansione

..quanti batteri!..

..ma dove saranno mai questi batteri..

…sulla punta di uno spillo?!

I cromosomi di una cellula in divisione. Non lasciatevi ingannare: questi colori sono sempre artificiali. La fotografia, originariamente in bianco e nero, è stata modificata al computer.

Cellule vive al microscopio È possibile, con tecniche particolari, osservare cellule non fissate e non colorate, anche viventi. a) microscopia in campo chiaro b) microscopia a contrasto di fase c) microscopia a contrasto interferenziale d) microscopia in campo oscuro.