Con l’aiuto dei microscopi oggi è noto che si sono evoluti sulla Terra due diversi tipi di cellule, le cellule procariote e quelle eucariote (eu-karion in greco significa «vero nucleo»); esse presentano notevoli differenze strutturali e funzionali, ma hanno in comune due caratteristiche molto importanti: hanno entrambe una membrana cellulare, che separa l’ambiente interno da quello esterno, e il materiale genetico, cioè l’informazione ereditaria che dirige le attività della cellula e le consente di riprodursi e trasmettere i suoi caratteri ai discendenti. I procarioti moderni sono rappresentati soprattutto dai batteri, microscopici organismi unicellulari che vivono in ogni angolo della biosfera. Esistono numerosi tipi di batteri patogeni, ossia in grado di causare malattie, ma ancora di più sono i batteri che vivono nel terreno e che spesso sono di fondamentale importanza per gli equilibri ecologici del nostro pianeta.

La figura 5 mostra alcune importanti differenze nell’organizzazione del materiale genetico che distinguono le cellule procariote da quelle eucariote.

Anche le dimensioni cellulari sono ben diverse nei due tipi di cellule: le cellule eucariote, infatti, sono più grandi di quelle procariote: le prime misurano 10-100 micrometri, le seconde 1-10 micrometri (il micrometro, μm, equivale a 1/1000 di millimetro). Di conseguenza, le cellule eucariote possono contenere un gran numero di organuli, piccole strutture adibite a svolgere specifiche funzioni, che le cellule procariote non hanno. Tra questi organuli sono di particolare interesse i mitocondri e i cloroplasti perché coinvolti nei processi che forniscono energia alle cellule, consentendo loro di svolgere tutte le funzioni vitali.

In sintesi, se confrontiamo le cellule eucariote con quelle procariote, le prime risultano evidentemente più complesse. Ciò nonostante, le numerose somiglianze nella loro composizione e nel funzionamento non lasciano dubbi riguardo il grado di parentela che le unisce.

Gli organismi costituiti da cellule procariote sono stati l’unica forma di vita sul nostro pianeta prima della comparsa di quelli formati da cellule eucariote. Molti biologi pensano che il passaggio dalla cellula procariote a quella eucariote sia stato un evento estremamente significativo nella storia della vita sulla Terra, secondo solo, per importanza biologica, alla nascita delle prime semplici forme di vita.

Attualmente, vi sono diverse teorie sul modo in cui questo passaggio potrebbe essere avvenuto. Una delle più accreditate è la teoria endosimbiontica formulata verso la fine degli anni Ottanta del secolo scorso dalla genetista statunitense Lynn Margulis; secondo questo modello, i mitocondri e i cloroplasti deriverebbero da antichi procarioti che si sono introdotti in cellule più grandi (figura 6). Qui i procarioti avrebbero dato origine a un rapporto di simbiosi, cioè uno scambio reciproco di favori: la cellula più grande avrebbe fornito biomolecole e sali minerali, mentre i procarioti avrebbero fornito energia. La teoria viene detta endosimbiontica appunto perché prevede una simbiosi, ossia un rapporto vantaggioso, tra due organismi che vivono l’uno all’interno dell’altro.

I processi che hanno portato alla comparsa delle prime cellule eucariote sono stati sicuramente molto lenti; si calcola, infatti, che siano occorsi circa 2 miliardi di anni per passare dalle prime cellule procariote alla comparsa (circa 1,5 miliardi di anni fa) di una cellula che presentasse un nucleo delimitato da una membrana.

All’inizio del capitolo abbiamo visto che una caratteristica degli organismi viventi è quella di acquisire energia dall’ambiente e di trasformarla per le proprie necessità. Negli eucarioti, gli organuli cellulari preposti a queste funzioni sono i mitocondri e i cloroplasti, mentre nei procarioti tali processi avvengono a livello della membrana plasmatica.

Il più importante processo energetico che ha luogo nelle cellule è la respirazione cellulare, una serie di reazioni che ha come composto di partenza il glucosio, una biomolecola che appartiene alla classe degli zuccheri (o carboidrati). La respirazione avviene in tutte le cellule che vivono in ambienti ove sia presente l’ossigeno gassoso e riguarda quindi la totalità delle cellule eucariote e gran parte di quelle procariote:

La fotosintesi clorofilliana è invece il processo che cattura l’energia solare consentendo così alle cellule di sintetizzare le proprie biomolecole come, per esempio, il glucosio. I composti iniziali della fotosintesi sono acqua e diossido di carbonio, mentre quelli finali sono molecole di zucchero e ossigeno.

Gli organismi moderni, e le cellule che li costituiscono, possono soddisfare le proprie esigenze energetiche in due modi. Gli organismi che dipendono da fonti esterne di molecole biologiche, per ricavare sia l’energia sia le molecole che servono come materiale da costruzione, sono chiamati eterotrofi (etero- deriva dalla parola greca che significa «altro» e trophé significa «nutrirsi»). Tutti gli animali e i funghi, come molti organismi unicellulari, sono eterotrofi.

Sono detti invece autotrofi gli organismi «che si nutrono da soli», cioè che non hanno bisogno di molecole biologiche provenienti da fonti esterne per ricavare energia o da usare come materiali da costruzione. Gli autotrofi, infatti, sono in grado di sintetizzare le proprie molecole ricche di energia a partire da sostanze più semplici. Molti autotrofi, tra cui le piante e parecchi tipi di organismi unicellulari, sono fotosintetici poiché la loro fonte di energia per le reazioni di sintesi è la luce solare. Alcuni semplici organismi unicellulari sono invece chemiosintetici: essi catturano l’energia liberata da particolari reazioni chimiche per attivare i loro processi vitali, anche in assenza di luce, come avviene per i batteri che vivono sul fondo degli oceani.

Nonostante la loro relativa semplicità, le prime cellule avevano anch’esse bisogno di un rifornimento continuo di energia per vivere, crescere e riprodursi. Alcuni scienziati ipotizzano che queste cellule fossero eterotrofe; per nutrirsi esse avrebbero assimilato le molecole biologiche presenti nel «brodo» primordiale, le stesse utilizzate dalle cellule per autoassemblarsi.

Secondo questa ipotesi, a mano a mano che le cellule primitive aumentarono di numero, cominciarono a esaurire le molecole complesse da cui dipendeva la loro esistenza e che avevano impiegato milioni di anni per accumularsi. Col passare del tempo comparvero cellule capaci di sintetizzare autonomamente molecole biologiche a partire da semplici sostanze chimiche. Nella figura 7 è rappresentato un attuale eucariote unicellulare fotosintetico: l’alga Chlamydomonas, piccola e di colore verde brillante (per la clorofilla presente nell’unico cloroplasto che occupa gran parte della cellula). Essendo fotosintetiche, esse vivono vicino alla superficie dell’acqua dove l’intensità luminosa è maggiore, ma, se la zona in cui si trovano finisce in ombra, possono spostarsi nuotando grazie a due lunghe appendici filiformi, i flagelli.

Un altro evento fondamentale nella storia della vita sulla Terra è stata la comparsa della pluricellularità, cioè di organismi costituiti da diversi tipi di cellule. Le prime forme di vita pluricellulari, per quanto è possibile dedurre dalle testimonianze fossili, sono apparse solo 750 milioni di anni fa.

Una forma intermedia tra gli organismi unicellulari e pluricellulari è rappresentata da singole cellule riunite in una colonie (figura 8); le colonie differiscono dagli organismi effettivamente pluricellulari in quanto le loro cellule conservano un alto grado di autonomia funzionale. Le cellule degli organismi pluricellulari, invece, differiscono dagli eucarioti unicellulari in quanto ogni tipo di cellula è specializzato nel compiere una funzione specifica nella vita dell’organismo. Il corpo umano, costituito da milioni di miliardi di cellule, è composto da almeno 200 tipi differenti di cellule, ognuno specializzato in un particolare compito, ma tutti funzionanti come un insieme coordinato.