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Cosa sono le farfalle nello stomaco?

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A volte basta sentire la voce della persona amata per stimolare quelle tipiche fluttuazioni del ventre. Innamorarsi significa avere le farfalle nello stomaco.

Un’immagine molto romantica che spero di non rovinare raccontandovi la fisiologia alla base di questa sensazione.

Le cosiddette “farfalle nello stomaco” sono una sensazione fisica tipicamente associata a momenti di forte stress emotivo come, appunto, la vista della persona amata. Ma non solo. Anche i minuti prima di un discorso in pubblico o l’attesa prima di un esame possono stimolare questa reazione.

Ma cosa sono le farfalle nello stomaco?

Come nel caso di gran parte delle reazioni non controllabili del nostro corpo, anche per questo fenomeno la risposta va cercata nel sistema nervoso autonomo, ovvero quella parte del sistema nervoso che regola le funzioni fisiologiche non volontarie (ad esempio la dilatazione o contrazione dei vasi sanguigni).

In particolare, le farfalle nello stomaco sono una conseguenza dell’attivazione di quella branca del sistema nervoso autonomo chiamata simpatico, responsbile del riflesso “attacca o fuggi” (fight-or-flight).

La risposta fight-or-flight rappresenta con ogni probabilità un residuo dei nostri tratti ancestrali. I corpi dei nostri antenati dovevano essere pronti al combattimento o alla fuga nel caso si fossero trovati a fronteggiare un animale preistorico inferocito. In una simile situazione di pericolo immediato le ghiandole surrenali, stimolate dall’ipotalamo tramite la ghiandola pituitaria, liberano nel circolo sanguigno i neurotrasmettitori adrenalina e noradrenalina.

Per questo in una situazione di forte stress il battito cardiaco accelera, i bronchi si dilatano facilitando la respirazione e i muscoli si irrigidiscono pronti all’azione.

Tra le reazioni fisiologiche associate alla risposta fight-or-flight troviamo anche lo spostamento del flusso sanguigno (e quindi di ossigeno) dagli organi non necessari al combattimento o alla fuga (come lo stomaco) ai muscoli motori e agli organi vitali. Ed è proprio questo minore apporto di sangue allo stomaco che provoca la sensazione di avere uno sciame di farfalle nel tratto digerente.

Questa repentina interruzione della digestione, inoltre, può provocare un senso di nausea, anch’esso assocciato a forti emozioni (mai sentito lo stimolo di vomitare prima o dopo un importante colloquio o esame?).

Un’altra sensazione dovuta al riflesso fight-or-flight è il cosiddetto nodo alla gola o magone, quel peso nella gola che proviamo mentre stiamo per piangere e che ci impedisce di deglutire correttamente. Anche in questo caso si tratta di una reazione funzionale ad un’azione di attacco o di fuga repentina. Il sistema nervoso autonomo, infatti, mantiene aperta l’epiglottide (il lembo di cartilagine che sigilla le vie aeree mentre ingoiamo del cibo, impedendo il soffocamento) per favorire la respirazione, ma bloccando contemporaneamente la deglutizione.

In conclusione, quello che un tempo è stato un riflesso fondamentale per sopravvivere oggi è un sintomo fisiologico delle nostre emozioni, con un tocco di romanticismo.

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Perché l’ortica punge?

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“…che dall’ortica del pericolo si coglie il fiore della sicurezza.”

(W. Shakespeare – Enrico IV – parte 1, atto II, scena 3)

Il post di oggi è spirato ad una storia vera… purtroppo. Si tratta della vicenda che narra del doloroso incontro tra me ed un poco accogliente cespuglio di ortiche.

Mi trovavo in escursione nella contea del Wiltshire nell’Inghilterra meridionale. Una splendida località non lontano da Avebury, patrimonio dell’UNESCO per possedere il cerchio di pietre neolitico più grande d’Europa. Per questo motivo, oltre ad essere meta di turisti e curiosi, Avebury è una fonte inesauribile di miti e leggende che ne fanno un luogo di culto per i gruppi di moderni pagani (o neopagani).

Alcuni monoliti che compongono il cerchio di pietre di Avebury.

Alcuni monoliti che compongono il cerchio di pietre di Avebury.

Proprio mentre mi stavo godendo la bellezza del paesaggio ed il tiepido sole della primavera inglese ecco che il mio piede si inabissa in un punto dove avrebbe dovuto esserci solido terreno, affondando fino al ginocchio in un cespuglio di ortiche. I pantaloni lunghi mi hanno protetto le gambe, ma la maglietta a maniche corte non è risultata altrettanto efficace ed il risultato finale è stato questo:

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Non ricordavo il tempo di prendermi una simile urticata e, dopo la prima mezzora di intenso dolore (il bruciore è durato comunque per un giorno intero) mi sono ripreso e ho affrontato la sventura con il mio solito spirito zen: qualsiasi esperienza, che sia relativamente positiva o negativa per noi, può sempre insegnarci qualcosa.

Quindi, una volta recuperato l’uso del braccio sinistro ed avendo esaurito i santi a cui dedicare il mio sfogo mi è sorta spontanea la domanda: perché l’ortica punge? O meglio, come fa l’ortica a pungere?

Credo sia evidente che questo non sia altro un meccanismo di difesa evoluto dalla pianta, quello che mi interessa è capire come fa a provocare tutto quel dolore e tutti quei rigonfiamenti.

Ma andiamo con ordine introducendo questa pianta così poco affabile.

Con il termine ortica ci si riferisce genericamente alle piante della famiglia delle Urticaceae e del genere Urtica. Le due specie più note sono l‘Urtica dioica e l‘Urtica urens. È una pianta molto diffusa e nota fina dall’antichità per le sue numerose proprietà che si declinano in numerose applicazioni, dalla cucina alla fitoterapia.

Urtica dioica (fonte: Wikipedia)

Urtica dioica (fonte: Wikipedia)

Il nome ortica deriva dal latino “urere” che significa “bruciare”. La reiterazione del nome all’interno della sua tassonomia (Urticaceae, Urtica, urens) lascia intendere come la caratteristica distintiva e poco piacevole di questa pianta non sia certo passata inosservata.

La forza urticante dell’ortica è data dai tricomi, sottilissimi peli che coprono sia le foglie che i fusti. Utilizzo il suffisso intensivo “sottilissimi” perché ciascun pelo è effettivamente formato da una singola cellula allungata e specializzata.

Immagine ingrandita dei tricomi di un'ortica. Ciascun pelo è formato da una singola cellula allungata. (fonte: Wikipedia)

Immagine ingrandita dei tricomi di un’ortica. Ciascun pelo è formato da una singola cellula allungata. (fonte: Wikipedia)

Le pareti laterali dei tricomi sono rafforzate da minerali di calcio mentre la punta è silicata, pronta a spezzarsi per liberare le sostanze contenute all’interno della cellula.

Ma quali sono le sostanze che vengono iniettate da questi minuscoli aghi ipodermici?

Le sostanze contenute nei tricomi sono principalmente istamina, serotonina, acetilcolina e acido formico.

La componente principale, l’istamina, è uno dei mediatori dell’infiammazione. In genere contenuta in alcuni globuli bianchi (granulociti basofili) e nelle piastrine, l’istamina promuove la vasodilatazione a livello locale e aumenta la permeabilità dei vasi sanguigni permettendo ai globuli bianchi di uscire dal circuito sanguigno per raggiungere la zona traumatizzata e infetta.

L’istamina quindi provoca il gonfiore dell’infiammazione attivando i meccanismi immunitari della cute.

Un’altra sostanza contenuta nei tricomi delle ortiche è la serotonina, noto e diffuso neurotrasmettitore. Se iniettata a livello locale è in grado di stimolare le terminazione nervose responsabili della percezione del dolore. E questo è esattamente quello che fa l’ortica mentre si difende dalla nostra goffa invadenza.

L’acetilcolina, invece, è un altro neurotrasmettitore ben conosciuto. Anzi, in verità si tratta il primo neurotrasmettitore ad essere individuato nella storia e valse un Nobel per la Medicina nel 1936. A livello di iniezione locale il suo effetto è probabilmente legato alla vasodilatazione e alla contrazione muscolare.

L’acido formico, infine, deve il suo nome alle formiche che lo producono all’interno del proprio corpo come sistema di difesa urticante.

Abbiamo visto quindi che i tricomi delle ortiche contengono un bel cocktail di sostanze differenti, e per questo un singolo trattamento (per esempio contro l’istamina) può risultare non completamente efficace. Davvero subdole queste ortiche…

Tuttavia esistono numerosi metodi per tentare di alleviare la sofferenza e ridurre gli effetti della puntura.

Il metodo più “naturale” e immediato, per esempio, è quello di fare impacchi con foglie di piantaggine o di acetosa, due piante che possono contribuire a ridurre il dolore e che tendono a crescere in prossimità delle ortiche stesse.

Plantago lanceolata, nota come piantaggine. Tende a crescere vicino alle ortiche. Impacchi fatti con le foglie macerate possono aiutare ad alleviare il dolore. (fonte: Wikipedia)

Plantago lanceolata, nota come piantaggine. Tende a crescere vicino alle ortiche. Impacchi fatti con le foglie macerate possono aiutare ad alleviare il dolore. (fonte: Wikipedia)

Tra le cose da non fare, invece, troviamo grattarsi e strofinare la parte colpita. Questo infatti non fa che rompere ulteriormente gli aghi già infilzati nella pelle, spingendoli ancora più in profondità ed incrementando il rilascio delle sostanze irritanti. È quindi più saggio fare impacchi con acqua ossigenata o composti basici come il sapone. Inoltre la rimozione degli aghi può essere agevolata usando del nastro adesivo a mo’ di ceretta. Potete trovare altri rimedi contro le ortiche a questo LINK.

Alla fine la morale dell’avventura è che non tutto il male vien per nuocere, il mio braccio si è ripreso in una giornata, l’ortica è viva e vegeta (e magari intimamente soddisfatta di essersi difesa così bene dalla mia goffa aggressione) ed ho anche imparato qualcosa di nuovo. In futuro starò più attento e sicuramente non guarderò più un’ortica con gli stessi occhi.

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Le patate verdi sono velenose?

Oggi si torna in cucina (è dal post “Perché le cipolle fanno piangere?” che non mi occupo di cibo) analizzando un fatto ben noto ma generalmente poco approfondito.

Chiunque abbia mai cucinato o pelato patate sa bene che i tuberi verdi o germogliati vanno evitati come la peste in quanto velenosi.

Ma perché le patate verdi sono velenose?

La patata (Solanum tuberosum) appartiene al vasto genere Solanum che comprende un grande varietà di piante utilizzate dall’uomo per la propria alimentazione. In questo gruppo troviamo infatti verdure a noi familiari come il pomodoro (Solanum lycopersicum) e la melanzana (Solanum melongena).

Le patate possono acquistare un colore verde dato dalla clorofilla presente al loro interno. Il processo è definito con il termine inglese “greening” ed è indotto dalla luce solare.

Una patata verde

Ovviamente la clorofilla non è velenosa, ma il suo accumulo all’interno della patata indica la presenza di un’altra sostanza presente nelle cellule del tubero e la cui sintesi può essere stimolata dalla luce: la solanina.

La solanina (C45H73NO15) è un alcaloide glicosidico (in parole povere una sostanza basica, ricca di azoto, derivata dai carboidrati e con un effetto farmacologico pronunciato) tossico prodotto da diverse piante della famiglia delle Solenacee (ricordo che secondo la gerarchia tassonomia, da me brevemente trattata QUI, la Famiglia occupa un gradino più alto e ampio rispetto al Genere. Alla famiglia delle Solenacee appartengono anche peperoni, peperoncini, tabacco e la Belladonna).

La solanina, come molte delle sostanze tossiche o irritanti prodotte dalle piante, svolge un ruolo di protezione contro incauti avventori e tende ad accumularsi nelle parti verdi e nei germogli delle Solenacee.

Nelle patate mature il contenuto di solanina è basso (al di sotto dei 10mg per etto di patate) e la sostanza tende a concentrarsi nella buccia. Nelle patate verdi, invece, il contenuto di solanina è sensibilmente più elevato raggiungendo anche i 100mg per etto di patate.

La solanina è una neurotossina che agisce principalmente come inibitore dell’enzima colinesterasi (enzima responsabile dell’idrolisi, ossia della degradazione, del neurotrasmettitore acetilcolina).

Struttura molecolare della solanina (fonte: Wikipedia)

Il blocco della colinesterasi interferisce con la trasmissione del segnale elettrico nervoso e può portare ad una sindrome tossica nota come SLUD o SLUDGE (dall’acronimo inglese costruito con le iniziali dei sintomi). Questa sindrome consiste in una forte scarica del sistema nervoso parasimpatico che provoca: aumento della salivazione e della lacrimazione, perdita del controllo degli sfinteri (rilascio urinario e defecazione), disturbi gastrointestinali e vomito. Un’esposizione prolungata ad un inibitore della colinesterasi può portare a spasmi muscolari e morte.

La solanina, inoltre, non viene eliminata dalla cottura in quanto degrada solo a temperature superiori ai 240°C. Le cotture a temperature elevate (come la frittura) possono comunque diminuirne la quantità.

Ma quali sono i reali rischi di avvelenamento?

Nei roditori la solanina provoca intossicazione intorno ai 2-5mg per kg. Per l’uomo la dose mortale stimata è tra i 3 e i 6mg per kg.

La dose minima per causare sintomi da intossicazione si aggira intorno ai 25mg, mentre la dose letale (per un adulto di peso medio) è di circa 400mg.

Quindi, considerando una patata verde con un elevato contenuto di solanina (quindi non sbucciata), per morire avvelenati bisognerebbe mangiarne circa mezzo kilo.

Per questa ragione il rischio reale di intossicazione da solanina è abbastanza limitato, a meno che non vi mangiate volontariamente una cassa di patate verdi senza nemmeno sbucciarle… esperienza da evitare…

In letteratura sono comunque noti casi (non recenti) di intossicazione da solanina. Quindi, per evitare ogni rischio di intossicazione, controllate le patate rimuovendo le parti verdi e scartando i tuberi particolarmente verdi, molto germogliati o dal sapore  troppo amaro.

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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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Fisiologia ed evoluzione del singhiozzo.

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Calvin alle prese con il singhiozzo.

Come lo starnuto (trattato recentemente da me QUI) anche il singhiozzo è un riflesso che coinvolge l’apparato respiratorio,  è diffuso nel regno animale e accompagna l’Uomo dall’alba dei tempi.

Le possibili cause del singhiozzo sono molteplici e possono essere, per esempio, di tipo psicogeno (shock, eccitazione, paura, stress), di tipo metabolico (iperglicemia, ipocalemia, febbre), associate a farmaci (benzodiazepine, barbiturici, alfa-metildopa) o a malattie (tumori, infiammazioni nervose).

In ogni caso la causa più diffusa è l’iperestensione dello stomaco che, probabilmente, provoca un’irritazione del muscolo diaframma o del nervo frenico che lo innerva.

Dal punto di vista fisiologico il singhiozzo è un fenomeno più complicato di una semplice contrazione involontaria del diaframma.

Ad ogni sussulto, infatti, insieme al diaframma si contraggono con forza anche i muscoli inspiratori (intercostali, del collo e altri) mentre i muscoli espiratori si rilassano profondamente. In seguito alla violenta inspirazione la glottide (il segmento della laringe dove si trovano le corde vocali) si chiude di scatto producendo il caratteristico suono. Prima della contrazione del diaframma, inoltre, il palato e il retro della lingua si muovono verso l’alto e non sono rari i rutti d’aria associati ai sussulti del singhiozzo.

La glottide si trova all’altezza delle corde vocali

Un attacco di singhiozzo viene definito tale se si protrae per più di qualche minuto. Un attacco che duri più di 48 ore è considerato persistente o protratto. Se dura più di un mese è definito intrattabile.

Seppur rari esistono casi di attacchi di singhiozzo durati anni. Il record (ufficialmente nel Guinness dei Primati e difficilmente battibile) appartiene a Charles Osborne che incominciò a singhiozzare nel 1922 dopo essere stato schiacciato dalla carcassa di un maiale di un quintale e mezzo che stava per macellare. Charles Osborne, nato nel 1892, finì di singhiozzare nel 1990 all’età di 97 anni, 68 anni dopo l’incidente con il maiale. Morì l’anno successivo in seguito alle complicazioni di un’ulcera.

Quali sono i rimedi più efficaci contro il singhiozzo?

I rimedi ad un attacco di singhiozzo sono antichi quanto la conoscenza del fenomeno stesso. Cionostante nessuno di essi si è mai rivelato efficace al 100%. In ogni caso le soluzioni migliori sembrano essere il controllo della respirazione, bere acqua o semplicemente avere la pazienza di aspettare che l’attacco termini da solo (sperando di non battere il record di Charles Osborne…).

I casi più gravi possono persino essere trattati chirurgicamente con l’ablazione del nervo frenico.

Ma a cosa serve il singhiozzo?

Lo starnuto e la tosse sono riflessi utili per liberare le vie respiratorie da patogeni e agenti irritanti. Il singhiozzo invece sembra essere un riflesso complesso privo di qualsiasi scopo (se non quello di infastidirci…).

Esistono due principali teorie sull’evoluzione del singhiozzo.

La prima teoria sostiene che il singhiozzo sarebbe un modo per liberare lo stomaco da un eccesso di aria. Poiché questo fenomeno è diffuso tra i mammiferi e in particolar modo tra gli infanti, si pensa che i sussulti siano un modo per coordinare la suzione del latte con la respirazione. Secondo questa teoria il sussulto permetterebbe di espellere aria dallo stomaco liberando volume utile per una maggiore quantità di latte.

Un vitello in allattamento

Una seconda teoria, invece, considera il rilfesso del singhiozzo come un residuo vestigiale della respirazione anfibia. Il singhiozzo, come spiegato sopra, è un fenomeno ritmico e complesso, che coordina tra loro differenti tipi di muscoli. Ciò suggerisce che esista, a livello del sistema nervoso, un centro generatore di singhiozzi.

Il singhiozzo, inoltre, è già osservabile nel feto e, nel corso dello sviluppo embrionale, compare ancor prima dei movimenti respiratori. Per questa ragione il singhiozzo potrebbe essere un residuo di precedenti fasi dell’evoluzione.

Cercando all’interno del regno animale un valido candidato che possa rappresentare gli albori del singhiozzo ci si ritrova ai bordi di uno stagno. I girini, infatti, nel corso della loro metamorfosi si ritrovano ad avere sia le branchie che i polmoni.

I girini, però, sono privi di diaframma e, per riempire i polmoni, devono prima riempire la bocca di aria, quindi chiudere bocca, narici e branchie e forzare l’aria all’interno dei polmoni. Quando invece respirano tramite le branchie,  riempiono la bocca di acqua, chiudono la glottide e forzano l’acqua attraverso le branchie.

I girini, ad un certo stadio della propria metamorfosi, possono respirare sia acqua che aria

In entrambi i casi i girini sfruttano una coordinazione tra inspirazione e chiusura della glottide in modo del tutto simile al singhiozzo.

[Per approfondimenti visitate alcune delle pagine da cui ho tratto le informazioni per questo post: QUI e 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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Curiosità: Perché il peperoncino “brucia”?

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Come mai quando mangiamo cibi molto piccanti percepiamo un forte senso di caldo e bruciore? Il peperoncino è forse in grado di generare calore?

In realtà l’aumento di temperatura percepito mangiando cibi ricchi di peperoncino non è altro che un calore virtuale, un’illusione giocata ai danni del nostro sistema nervoso da parte di una particolare sostanza: la capsaicina.

La capsaicina è una molecola presente nelle piante del genere Capsicum che comprende diverse specie di peperoncino piccante. La capsaicina, scoperta nella prima metà del XIX secolo, è in grado di interagire con un particolare tipo di proteine dette recettori vanilloidi ed in particolare con la variante TRPV-1 (Transient Receptor Potential Vanilloid 1). Queste proteine hanno appunto una funzione recettoriale, ovvero sono in grado di percepire, e quindi segnalare all’organismo, un determinato stimolo. Nel nostro corpo esiste un elevato numero di recettori specializato nella ricezione di diversi tipi di stimoli provenienti dall’ambiente, dai segnali luminosi a quelli sonori, fino alla pressione meccanica.

I recettori sensoriali sono quindi le strutture molecolari che consentono al nostro organismo di interagire con il mondo esterno, generando la percezione dell’ambiente che ci circonda. Nel caso particolare dei recettori vanilloidi TRVP-1 lo stimolo recepito è l’aumento di temperatura. La loro funzione è quindi quella di recettori termici e vengono attivati da temperature superiori ai 43˚C.

I recettori, però, possono essere generalmente attivati da segnali di tipo non specifico. Questo accade quando, per esempio, premendo le dita sugli occhi vediamo dei lampi di luce nel nostro campo visivo; in questo caso uno stimolo meccanico come la pressione delle dita sugli occhi ha attivato i fotorecettori della retina. Il nostro sistema nervoso viene quindi ingannato e, pensando che tale attivazione corrisponda ad uno stimolo luminoso, ci fa percepire dei lampi di luce.

In modo del tutto analogo la capsaicina è in grado di attivare i recettori termici TRPV-1, facendoci percepire un calore che in realtà non esiste. Questa illusione inganna il sistema nervoso il quale, credendo di essere in presenza di temperature al di sopra dei 43˚C, mette in moto tutti i meccanismi necessari ad affrontate una temperatura elevata: ci fa prima di tutto percepire il bruciore e il calore tipici di uno stimolo termico, attivando poi le normali strategie di dissipazione del calore quali sudorazione e vasodilatazione periferica (che da rossore cutaneo).

Un fenomeno simile ma dal risultato inverso si realizza con il mentolo presente nella menta e utilizzato, per esempio, nelle gomme da masticare e nei dentifrici. Il mentolo è in grado di simulare una virtuale sensazione di fresco interagendo con i recettori TRPM8, in genere attivati da temperature inferiori ai 25˚C.

Concludo con una Domanda con la D maiuscola. Se ciò che percepiamo del mondo reale è mediato dai nostri sensi, e se i nostri sensi possono essere facilmente ingannati da segnali aspecifici, cosa  è “reale”?

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