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La scossa di un’anguilla elettrica.

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Ingresso della California Academy of Science

Ingresso della California Academy of Science

La scorsa settimana mi trovavo a San Francisco per un convegno. Nel tempo libero ho visitato praticamente tutta la città, compresa la moderna California Academy of Science situata all’interno dell’enorme Golden Gate Park.

Girovagando tra le varie sezioni del museo, passando da un frammento di roccia lunare ad un simulatore di terremoti, mi sono ritrovato nell’area dedicata alla vita marina. Un vero e proprio acquario con decine di vasche multicolori!

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Una delle vasche all’interno dell’Academy.

Mentre passavo in rassegna ogni singola vasca mi sono imbattuto in un animale di cui, fino a quel momento, avevo solo sentito parlare in qualche documentario: la misteriosa anguilla elettrica.

Dopo essermi stupito di quanto piccoli fossero gli occhi in proporzione al resto del corpo mi sono accorto di non sapere effettivamente nulla di come questo bizzarro pesce riesca a produrre scosse elettriche abbastanza forti da stordire se non uccidere le proprie prede.

A quel punto il bambino curioso mai cresciuto che vive in me ha iniziato a strattonare la giacca al biologo apparentemente adulto che si affaccia all’esterno. Per questa ragione, una volta rientrato a casa e recuperato (più o meno) dal jet lag, ho fatto qualche ricerca per rispondere alle domande insistenti del mio fanciullo interiore.

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Il mio incontro con l’anguilla elettrica della California Academy of Science

Prima di addentrarci nell’argomento è però necessaria una brevissima introduzione sulla bioelettricità.

I fenomeni elettrici in natura sono estremamente comuni, basti pensare ai segnali generati e trasportati dai neuroni o all’attività del muscolo cardiaco. Le correnti elettriche negli organismi viventi non sono formate da elettroni in movimento ma bensì da flussi di ioni, ovvero atomi carichi elettricamente. Gli elementi responsabili delle maggiori correnti ioniche a livello cellulare sono il sodio, il potassio, il calcio, l’idrogeno (protoni) ed il cloro (o per meglio dire i rispettivi ioni di questi elementi).

All’interno di una cellula una corrente ionica si sviluppa grazie a particolari proteine che permettono il flusso degli ioni e sono chiamate con il nome fantascientifico di canali ionici.

I diversi tipi di ioni si accumulano in modo asimmetrico sui due lati della membrana cellulare che funge da isolante. La differenza di concentrazione ionica tra l’esterno e l’interno della cellula genera un potenziale eletttrico detto potenziale di membrana. Quando i canali ionici si aprono gli ioni possono fluire attraverso la membrana generando una corrente elettrica.

Rappresentazione semplificata di un canale ionico in membrana. L’apertura del canale permette agli ioni di fluire da un lato all’altro della membrana cellulare generanto una corrente elettrica.

Tra i fenomeni elettofisiologici più noti troviamo il potenziale d’azione, ed il logo di questo blog è una rappresentazione di un potenziale d’azione di una cellula cardiaca ventricolare.

Ma torniamo ora alle nostre anguille elettriche che… non sono anguille!

Ci sono rimasto male anch’io quando l’ho scoperto, ma le anguille elettriche non appartengono all’ordine degli Anguilliformi (a cui appartengono, per esempio, le murene).

Gli elettrofori, questo il loro vero nome, appartengono infatti all’unica specie esistente del genere Electrophorus ed la loro denominazione scientifica corretta è Electophorus electricus.

Questi pesci tipici di tutta l’America Meridionale sono predatori che possono raggiungere i due metri e mezzo di lunghezza e i 20kg di peso. Sono pesci aerobi obbligati, altra particolarità, e circa ogni 10 minuti devono emergere per respirare aria.

Vivono in acque torbide caratterizzate da una scarsa visibilità. Per ovviare a questo problema le anguille elettriche, come altri pesci elettrofori, sono dotate di un organo elettrico debole che utilizzano per orientarsi e individuare le prede: generando un campo elettrico debole sono in grado di percepire perturbazioni all’interno del campo stesso date dal transito di altri animali.

È probabile che proprio da questo organo elettrico debole si sia evoluta l’arma letale rappresentata dall’organo elettrico forte che forma circa l’80% del corpo dell’anguilla elettrica. Questo organo specializzato è in grado di genereare scariche nell’ordine delle centinaia di Volt! Le scariche, comunque, durano meno di 2 millisecondi e hanno un’intensità ridotta (circa 1A). È quindi improbabile che un uomo adulto possa rimanere ucciso da un attacco di un anguilla elettrica.

Breve stacco: nel video sottostante un’anguilla elettrica viene usata per illuminare un albero di Natale.

Tornando seri. L’organo elettrico che, come detto, occupa gran parte del corpo dell’animale (gli organi vitali sono concentrati vicino alla testa) è formato da cellule muscolari specializzate chiamate elettrociti.

Gli elettrociti sono impacchettati e orientati all’interno dell’organo elettrico formando una struttura simile ad una pila di Volta (tra l’altro sembra che sia Galvani e che Volta siano stati ispirati proprio da studi condotti sull’anguilla elettrica).

Ciascun elettrocita possiede un lato liscio a contatto con le fibre nervose e rivolto verso la coda dell’animale, ed un lato frastagliato orientato verso la testa. I canali ionici presenti sulle membrane dei due lati della cellula permettono all’elettrocita di creare una differenza di potenziale tra l’interno e l’esterno della membrana che si aggira intorno ai 0.15V.

In sostanza ciascuno elettrocita, grazie ai canali ionici, si carica in pararello di una piccola differenza di potenziale.

Quando rileva una preda il sistema nervoso dell’anguilla elettrica manda un segnale alle terminazioni nervose in contatto con ciascun elettrocita. Con una quasi perfetta simultaneità (i cui meccanismi sono ancora poco chiari) migliaia di elettrociti si scaricano in serie, sommando i loro piccoli potenziali individuali fino a raggiungere valori impressionanti intorno ai 400-600V (un fenomeno analogo a quello di un generatore di Marx).

La corrente elettrica fluisce così attraverso il corpo dell’elettroforo dalla coda verso la testa diffondendosi poi nell’ambiente circostante grazie agli ioni disciolti nell’acqua (rientrando poi nella coda dell’anguilla elettrica e chiudendo il circuito).

Per i piccoli animali di cui l’elettroforo si nutre non c’è scampo…

Visti i meccanismi alla base della fisiologia dell’anguilla elettrica sorge però un altro dubbio: perché l’anguilla elettrica non rimane folgorata dalla propria corrente?

La domanda è legittima e la risposta non è scontata. Anzi, si può dire che non si sappia con certezza come mai l’elettroforo non sia soggetto alla propria scarica elettrica.

Le ipotesi in merito sostengono che in realtà le anguille elettriche prendano effettivamente la scossa, ma che abbiano sviluppato una sorta di resistenza (per esempio percependo lo shock ma non provandone dolore) oppure la particolare conformazione anatomica (con gli organi vitali impacchettati vicino alla testa)  garantisce all’animale un isolamento elettrico che lo protegge dallo shock.

Chiudo con una nota divertente. Cercando articoli per scrivere questo post mi sono imbattuto in QUESTO splendido falso articolo scientifico in cui le caratteristiche dell’anguilla elettrica vengono confrontate con le analoghe capacità del topo elettrico… il famoso P. pikachu!

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Quanto è grande una cellula?

Rappresentazione di una cellula eucariote.

Gli organismi che abitano la Terra possono essere raggruppati in differenti categorie attraverso diversi metodi. Uno di questi metodi consiste nel dividere gli esseri viventi in base al numero di cellule che li compongono.

Secondo questa divisione, quindi, possiamo distinguere organismi unicellulari (formati da una singola cellula) e organismi pluricellulari (formati da più cellule) come noi esseri umani.

Un corpo umano è formato da circa 1014 (centomila miliardi) di cellule divise in più di 200 tipi differenti. A questi miliardi di cellule (di cui 100 miliardi di soli neuroni nel cervello) vanno aggiunti altrettanti batteri che vivono in simbiosi nel nostro intestino.

Le nostre cellule definiscono chi siamo in quanto sono le unità fondamentali del nostro corpo, le strutture più piccole a poter essere considerate viventi.

Ma quanto piccole sono effettivamente le cellule?

Molto… molto piccole. Ma andiamo con ordine.

Prima di tutto definiamo il livello di grandezza in cui ci muoviamo quando parliamo di cellule.

Se la nostra altezza è definita in metri (m), la distanza tra due città in chilometri (km), le dimensioni delle cellule sono definite in micrometri (μm).

Un micrometro corrisponde ad un milionesimo di metro, ovvero un millesimo di millimetro (che a sua volta è un millesimo di metro). Il rapporto tra micrometri e millimetri è quindi uguale a quello tra millimetri e metri.

Io sono alto circa un metro e ottanta, ovvero 1800 millimetri o un milione e ottocentomila micrometri. Le cellule che formano il mio (e il vostro) corpo, invece, hanno dimensioni che variano da poco meno di 10 micrometri ad oltre 100 micrometri (un decimo di millimetro).

Questo significa che se la cellula più grande del nostro corpo avesse le dimensioni di una moneta da un euro, una persona media dovrebbe essere alta qualcosa come 260 metri.

Ma quali sono le cellule più grandi del nostro corpo? E quelle più piccole?

Le cellule più grandi del corpo umano sono gli ovuli femminili. Con un diametro che si aggira tra i 120 ed i 150 micrometri (0.12-0.15 millimetri) meritano ampiamente il titolo di giganti del corpo umano. Le cellule uovo umane sono abbastanza grandi da essere visibili ad occhio nudo.

Ovulo e spermatozoo. La cellula più grande e una delle cellule più piccole del corpo umano.

Tra le cellule più grandi del corpo troviamo anche le fibre muscolari le quali, in realtà, sono formate da più cellule fuse tra loro in strutture polinucleate (con molti nuclei cellulari) chiamate sincizi.

Se l’ovulo è la cellula più grande lo spermatozoo cade nel gruppo delle cellule più piccole (approfondirò questa disparità tra maschio e femmina in un post futuro) con un diametro di circa 5-6 micrometri. Ciononostante il flagello dello spermatozoo (la coda per intenderci) arriva fino a 50 micrometri di lunghezza.

Tra le dimensioni dello spermatozoo e dell’ovulo c’è quindi una differenza di circa 30 volte!

Sempre all’interno della categoria delle cellule più piccole del corpo troviamo inoltre i globuli rossi del sangue che, con la loro caratteristica forma discoidale biconcava (dovuta all’assenza di un nucleo cellulare), hanno diametri inferiori ai 10 micrometri o, ancora, i neuroni dello strato granulare del cervelletto le cui dimensioni si aggirano intorno ai 4.5 micrometri.

Eritrociti o globuli rossi con la caratteristica forma discoidale biconcava.

Abbiamo quindi definito i due estremi, le cellule più grandi e le cellule più piccole del nostro corpo.

Ma qual è la cellula più grande del mondo?

Vista la non tanto recente estinzione dei dinosauri si può dire che la cellula più grande attualmente esistente sul nostro pianeta sia l’uovo di struzzo con i suoi 15 centimetri di lunghezza medi.

Ma, come spesso accade nella Scienza, questa affermazione rimane ancora oggi dibattuta.

Esistono infatti cellule che, pur non avendo lo stesso volume o lo stesso peso, possono raggiungere lunghezze che superano di gran lunga i 15 cm dell’uovo di struzzo.

Senza andare troppo lontano, alcuni neuroni del corpo umano hanno prolungamenti lunghi più di un metro e collegano il sistema nervoso centrale alla punta dei nostri piedi.

Quindi provate ad immaginare (e fate le dovute proporzioni) i prolungamenti dei neuroni analoghi in animali come giraffe, balenottere azzurre o calamari giganti…

Un’alga molto particolare, però, sembra poter battere tutti gli organismi sopracitati contendendo le prime posizioni nella speciale classifica delle cellule giganti.

Si tratta della Caulerpa, un genere di alga verde che può raggiungere i 3 metri di lunghezza con più di 200 fronde distribuite lungo tutto il corpo.

Alga del genere Caulerpa. Pur sembrando una pianta con foglie si tratta in realtà di una singola cellula priva di sistema vascolare

La particolarità che rende unica la Caulerpa è il numero di cellule che la compongono: UNO.

I tre metri di Caulerpa, infatti, sono formati da un’unica grande cellula con numerosi nuclei. Questo rende la Caulerpa una delle cellule più grandi e, sicuramente, l’organismo unicellulare più grande al mondo.

Concludo consigliandovi un pagina interattiva dove potrete visualizzare le dimensioni di una cellula rispetto ad altri oggetti come un chicco di caffè o un atomo di carbonio. Realizzata dal Genetic Science Learning Centre dell’Università dell Utah è consultabile liberamente QUI.

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Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina 2013: chi sono in vincitori e perché hanno vinto.

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Questa mattina il Karolikna Institutet di Solna, in Svezia, ha annunciato i vincitori del Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina 2013.

Si tratta di James E. Rothman, Randy W. Schekman e Thomas C. Südhof, tre biologi, due americani e un tedesco, che vincono uno dei massimi riconoscimenti nel campo della Scienza per i loro studi sui meccanismi di trasporto all’interno delle cellule.

I tre vincitori del Premio Nobel per la Fisiologia o la Medicina 2013 (TheGuardian)

Molte molecole prodotte dalle nostre cellule sono destinate a svolgere il proprio ruolo al di fuori delle cellule che le hanno prodotte. Per questa ragione deve esistere un efficiente sistema di trasporto e consegna che sia in grado di portare le molecole dalla fabbrica alla destinazione finale con assoluta precisione.

Le cellule racchiudono le molecole prodotte in veri e propri pacchetti delimitati da una membrana lipidica e chiamati vescicole di secrezione.

Le vescicole possono muoversi all’interno della cellula e, nel caso dei neuroni, possono essere trasportate fino alle sinapsi più lontane dal corpo cellulare.

Le vescicole possono rilasciare il proprio contenuto all’esterno della cellula fondendosi con la membrana cellulare che segna il confine tra l’ambiente intracellulare e quello extracellulare; come si può vedere chiaramente in questa semplice animazione:

Le molecole trasportate dalle vescicole possono avere i compiti più vari: dalla comunicazione tra cellule (come nel caso dei neurotrasmettitori, ma non solo) all’attivazione di meccanismi molecolari, dalla difesa all’eliminazione di rifiuti ecc.

Un esempio pratico, come detto sopra, consiste nella gestione dei neurostrasmettitori che vengono accumulati in vescicole nelle sinapsi e rilasciati quando necessario.

Nell’immagine sottostante  sono rappresentati schematicamtne i passaggi fondamentali del processo a livello di una singola sinapsi. Si pudi carico della vescicola, l’esocitosi (ovvero il rilascio del contenuto al di fuori del corpo cellulare) e il processo inverso di endocitosi:

Rappresentazione schematica del sistema di trasporto di un neurotrasmettitore tramite vescicole. Da Jahn&Fasshauer 2012, Nature 490, 201-207.

James Rothman vince il Nobel per aver scoperto i complessi di proteine che garantiscono che i pacchetti molecolari delle vescicole siano consegnati con efficienza alla destinazione corretta. I suoi studi condotti tra gli anni ’80 e gli anni ’90 hanno contribuito ad identificare le proteine che permettono alle vescicole di riconoscere il bersaglio, di agganciarlo e di fondersi con la membrana cellulare.

Schekman, invece, usando il lievito come organismo modello, ha scoperto i geni che controllano il complesso sistema di trasporto. Negli anni ’70 Schekman ha identificato delle cellule di lievito con difetti di trasporto caratterizzate da vescicole impilate all’interno delle cellule esattamente come macchine in un ingorgo ad un casello dell’autostrada nelle ore di punta. Studiando la genetica di questi lieviti Schekman ha identificato tre classi di geni coinvolti nella regolazione del meccanismo di trasporto delle vescicole.

Vescicole di secrezione al microscopio elettronico. da Torri Tarelli, Grohovaz, Fesce and Ceccarelli (1985) J. Cell Biol. 101,1386

Südhof, infine, studiando i neuroni, ha scoperto come le cellule nervose sono in grado di comunicare tra loro con una simile precisione temporale. I neurotrasmettitori vengono rilasciati tramite i meccanismi descritti da Rothman e Scheckman, ma questo accade solo quando il neurone riceve il corretto segnale di rilascioSüdhof, nel corso degli anni ’90, ha descritto il sistema basato su flussi di ioni di calcio che permette il rilascio delle vescicole con un’elevatissima quanto invidiabile precisione.

In sostanza i tre scienziati hanno contribuito a descrivere uno dei processi fondamentali della fisiologia cellulare.

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Fitoterapia Vs Omeopatia: le differenze

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In seguito alla pubblicazione del mio ultimo post sull’inganno dell’omeopatia (LINK) ho notato un certo grado di confusione sull’argomento, soprattutto per quanto riguarda la differenza tra omeopatia e fitoterapia.

Da quanto ho capito la confusione tra i due metodi viene generata alla fonte dalle stesse strutture di distribuzione che tendono a riunire i farmaci fitoterapici e i principi omeopatici nell’unica, raffazzonata categoria dei “farmaci omeopatici”.

In realtà i farmaci fitoterapici (e l’erboristeria in generale) nulla hanno a che vedere con l’omeopatia. Anzi, nonostante la medicina “naturale” sia in genere considerata alternativa alla comune scienza medica è in verità molto più vicina a quest’ultima che all’omeopatia.

Ma andiamo con ordine.

Come abbiamo visto l’omeopatia si basa su principi completamente non scientifici, non dimostrati (perché non dimostrabili) e spiegabili solo tramite fantasiose teorie anch’esse indimostrate (si veda “memoria dell’acqua“).

La fitoterapia, invece, comprende tutti quei trattamenti e medicamenti che si basano su derivati vegetali. Si tratta di una categoria molto ampia che va dai rimedi tradizionali della medicina popolare (i rimedi “della nonna” per intenderci) alle più sofisticate applicazioni biomediche.

L’utilizzo di piante in medicina è una prassi antichissima e diffusa praticamente in tutti i popoli del pianeta. In quanto pratica medica a tutti gli effetti, inoltre, si basa sugli stessi principi della normale farmacologia (es. effetti dose-dipendenti dati da interazioni chimico-fisiche con meccanismi fisiologici) .

piante officinali

Per facilitare la comprensione e dissipare ogni dubbio voglio proporvi un esempio pratico: l’insonnia, un ben noto disturbo del sonno che chiunque conosce (spesso per esperienza diretta).

Quali sono i rimedi per l’insonnia secondo la fitoterapia, l’omeopatia e la medicina classica?

  1. FITOTERAPIA: una cura fitoterapica per l’insonnia è rappresentata, per esempio, dall’uso di erbe sedative come la Valeriana (valeriana officinalis). L’effetto della valeriana è noto da tempo immemorabile ed è facilmente spiegabile a livello molecolare. Gli olii essenziali estratti dala pianta di Valeriana (acidi valerianici) sono infatti in grado di bloccare un enzima responsabile della degradazione del neurostrasmettitore GABA, coinvolto nell’inibizione delle attività dei neuroni e nell’induzione del sonno nell’uomo. Quindi, più valeriana assumete, più GABA rimarrà in giro nel vostro cervello e più sarà facile addormentarvi.
  2. MEDICINA CLASSICA: la medicina classica (che per l’assurdo è più recente e meno “tradizionale” della fitoterapia) potrebbe consigliarvi invece l’uso di sostanze come le benzodiazepine tra le quali troviamo il ben noto Valium. Anche in questo caso l’effetto è noto e descrivibile a livello molecolare. Le molecole di Valium interagiscono con i recettori che riconoscono il GABA sopracitato e ne aumentano l’effetto. Valium e Valeriana, quindi, agiscono in punti diversi dello stesso meccanismo, ottenendo un effetto simile. Un po’ come evitare un gol su calcio di punizione grazie alla barriera o grazie ad una parata del portiere: punti diversi, stesso effetto.
  3. OMEOPATIA: se avete difficoltà a prendere sonno un omeopata probabilmente vi consiglierà di assumere caffeina che come tutti sappiamo è un noto stimolante (stimola direttamente il sistema nervoso simpatico aumentando i livelli di adrenalina e noradrenalina nel sangue). Il principio omeopatico viene chiamato con il fantasioso nome latino di Coffea Cruda e altro non è che caffeina fortemente diluita la quale dovrebbe agire sempre secondo il principio (sbagliato) del “simile per curare il simile”, usare uno stimolante diluito per curare l’insonnia. In questo caso il meccanismo molecolare non può essere descritto semplicemente perché non esiste. La forte diluizione, inoltre, rende il principio nient’altro che acqua pura e gli unici effetti osservabili sono attribuibili al ben noto effetto placebo.

Quindi, come abbiamo visto, la fitoterapia è molto più vicina alla normale scienza medica e, anzi, si può dire che ne fa parte a tutti gli effetti.

Valeriana officinalis

Il termine “naturale” è purtroppo abusato dalle case farmaceutiche che promuovono la fitoterapia come “medicina alternativa” e in qualche modo migliore (o meno cattiva) rispetto alla comune scienza medica quando in realtà non sono poi così diverse. Questo metodo di marketing è profondamente scorretto in quanto crea confusione e sfrutta i principi veri ed efficaci della fitoterapia per promuovere metodi di cura falsi e inefficaci come l’omeopatia.

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