Micrografia: immagini dai micromondi

Situazioni sconosciute, normalmente impercettibili, immagini di mondi visibili all'occhio umano solo grazie all'uso del microscopio e di speciali tecniche fotografiche: ecco microrganismi e minerali, fenomeni naturali e oggetti d'uso quotidiano osservati da prospettive nuove e sorprendenti.

Il "reticolato" arancione che vedete in questa micrografia elettronica a scansione è costituito dai capillari sanguigni che intersecano le fibre muscolari cardiache (in rosa). In futuro sarà forse possibile diagnosticare il sopraggiungere di un infarto grazie a un nuovo esame del sangue. In un articolo pubblicato sul Journal of Molecular and Cellular Cardiology, un'equipe di ricercatori americani spiega di aver rilevato consistenti concentrazioni di una proteina, la proteina C legante la miosina, nel sangue subito dopo un attacco di cuore. In attesa che studi futuri possano fornire ulteriori dettagli, ci sono alcuni fattori di rischio o protettivi, meno conosciuti di quelli "canonici", che occorre tenere presenti quando si parla di infarto. Per esempio, le donne che vivono in città sono esposte a un rischio maggiore di malattie cardiovascolari (il 33,05% del campione preso in esame in un recente studio ha infatti il colesterolo alto). Mentre gli uomini che diventano padri sono più protetti da queste patologie. Secondo una ricerca dell'Università di Stanford, (California) infatti, la sterilità maschile potrebbe fare da apripista a problemi cardiovascolari.

Al cospetto dei neuroni - protagonisti indiscussi e unità base del funzionamento del cervello - le cellule della glia (qui in una micrografia a immunofluorescenza) sono state a lungo relegate al ruolo di tappezzeria. Ma la loro funzione di supporto alle cellule cerebrali è fondamentale per il corretto svolgimento della comunicazione sinaptica. Questo collante naturale (glia deriva dal greco e significa "colla") isola e protegge i neuroni dagli agenti patogeni, li mantiene al loro posto riempiendo lo spazio tra un neurone e l'altro e regola la quantità di importanti sostanze chimiche come il potassio, che gioca un ruolo essenziale nella chimica della trasmissione neuronale. E gli esperti sospettano che del loro contributo al processo di analisi dell'informazione cerebrale non sia ancora del tutto conosciuto.
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[E. I.]

Cattiva alimentazione e mancanza di moto, ma non solo. All'origine dell'obesità infantile potrebbe esserci anche la carenza di vitamina D (nella foto, alcuni cristalli visti attraverso una micrografia in luce polarizzata). La tendenza ad accumulare grasso nella zona addominale deriverebbe da un deficit di questo insieme di sostanze, come hanno dimostrato alcuni scienziati dell'Università del Michigan in uno studio pubblicato sull'American Journal of Clinical Nutrition. La vitamina D è presente in cibi come latte e derivati, tuorlo d'uovo o integratori come l'olio di fegato di merluzzo. Ed è prodotta naturalmente dal nostro corpo durante l'esposizione ai raggi solari. 
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[E. I.]

È autunno e si spogliano gli alberi? Sì, ma questa che sembra una foglia è in realtà micrografia a luce fosforescente di una sezione di cervelletto.
Quest’organo del sistema nervoso centrale è ricoperto da uno strato sottile di materia grigia, la corteccia cerebellare. A sua volta questo strato è composto di tre livelli: il più esterno comprende uno strato molecolare (in verde nell’immagine) e uno granulare, detto anche strato delle cellule del Purkinje (in blu). Questo è costituito da voluminosi neuroni disposti in un’unica fila, un po’ discosti l’uno dall’altro e localizzati sul margine esterno dello strato dei granuli. Poi nello strato molecolare si diramano i dendriti, ovvero le regioni periferiche dei neuroni con cui si collegano a quelli adiacenti.

I neuroni del cervelletto sono chiamati anche cellule di Purkinje (in rosso nella micrografia a luce confocale): se per far lavorare il cervello di un adulto ci vogliono 150 miliardi di neuroni, che creano 20 mila interconnessioni, per il cervelletto le cellule di Purkinje riescono a produrne fino a 200 mila.
L’esistenza di queste connessioni, o sinapsi, fu scoperta alla fine del XIX secolo dal fisiologo inglese Charles Scott Sherrington: non si tratta in realtà di connessioni fisiche perché tra due neuroni si interpone sempre una microscopia fessura. Per superare questo varco, i segnali cambiano addirittura faccia e da elettrici diventano chimici.

Le cellule del corpo umano sono "programmate per morire": esistono infatti suicidi programmati (detti apoptosi) a cui vanno incontro, per esempio, i linfociti del sangue dopo 8 ore di vita e i globuli rossi dopo 180 giorni. I miociti, ovvero le cellule del cuore (colorate in verde fosforescente in questa micrografia al telescopio elettronico), muoiono solo per cause esterne, come può essere un trombo che occlude una coronaria e determina l’infarto.
Ma se nell’adulto si tratta di una fine accidentale, nel feto si tratta di un processo naturale: nella vita intrauterina infatti queste cellule si suicidano per riformarsi sempre migliori, sempre più forti fino a diventare perfetti e… "immortali".

Anche la vita inizia da una sfera. L'ovulo verso cui si protende lo spermatozoo è rotondo, così come sono rotonde le prime cellule che si agglomerano per dar vita "alla vita". Le primissime fasi dello sviluppo dell'embrione umano, colte da questa micrografia elettronica, compongono la cosiddetta morula: qui sono 8 le cellule, chiamate blastomeri, la cui successiva divisione permetterà la formazione delle milioni di cellule di cui è composto il feto. A questo stadio, la morula non è ancora impiantata nell'utero.

L'igiene orale è di fondamentale importanza per la prevenzione della carie, ma cosa c'è dentro a un dentifricio? Per rimuovere la placca e la sottile pellicola, formata sui denti dalla saliva, che sopravvivono al passaggio dello spazzolino, si usa di solito una sostanza abrasiva. Tra le più comuni, ci sono il carbonato di calcio, il fosfato di calcio o di sodio, l'allumina e la silice precipitata.
In questa micrografia elettronica sono visibili proprio i cristalli abrasivi di un dentifricio, specificatamente il sale insolubile del fosfato di calcio.

I medici in un futuro non lontanissimo potrebbero appendere al chiodo ago e filo da satura. È molto attiva infatti la ricerca per superare l'infissione di punti per unire e stabilizzare tra loro i lembi di una ferita (nella foto, una micrografia elettronica).
La satura tradizionale potrebbe essere sostituita da una colla molto resistente, non tossica e impermeabile. A suggerire l'idea agli studiosi sono stati i mitili che producono un collante biologico con cui si incollano tra di loro e sulle superfici.

Quando il nucleo di una cellula è in procinto di dividersi, la cromatina (DNA e proteine cromosomiche) dà origine ai cromosomi, in cui è contenuto il DNA, una complessa molecola a forma di doppio nastro avvolto a elica in cui sono contenute tutte le informazioni che ci fanno diventare ciò che siamo. Una normale cellula umana contiene 46 cromosomi a eccezione delle cellule sessuali (spermatozoi e ovuli), le quali dovendosi unire per dare vita a un embrione ne contengono solo la metà.
Nella foto, la micrografia dei cromosomi durante la meiosi, la divisione dei geni che avviene nelle cellule sessuali.

Ispirandoci all'atmosfera di stagione vi regaliamo questa che non è la foto di un addobbo natalizio, ma un'immagine ravvicinata della retina. Oggi ricorre infatti la celebrazione di santa Lucia la cui venerazione è fortemente legata all'episodio dello strappo volontario degli occhi da parte della donna e che è invocata dai fedeli come protettrice della vista.
La micrografia colorata al microscopio elettronico ci fornisce un punto di vista decisamente inconsueto della retina, la membrana interna della parete del globo oculare dove lo stimolo visivo viene ricevuto. I filamenti rossastri sono i vasi sanguigni che si irradiano dal disco ottico, l'area in cui nervo ottico e i vasi stessi entrano nell'occhio.

La micrografia confocale permette di osservare strutture molecolari tridimensionali, altrimenti difficilmente distinguibili attraverso un normale microscopio ottico. Le cellule in coltura delle foto appartengono a tessuto endoteliale, che riveste la superficie interna dei vasi sanguigni e delle cavità cardiache. Per evidenziarne la struttura è stato usato del liquido fluorescente: il nucleo, che porta l'informazione genetica, appare così in blu; in giallo spiccano i microfilamenti di actina e, in rosa e rosso, di tubulina. I microtubuli formati da queste fibre fanno parte del citoscheletroo, il sostegno interno della cellula, responsabile del trasporto intercellulare, della sua struttura e motilità e anche di separare i cromosomi durante la divisione cellulare.

Ecco come appare una micrografia in luce polarizzata di una sottile sezione di rame puro: si svela così la struttura a cristalli di questo elemento che costituisce lo 0,006-0,005 per cento della crosta terrestre. Le ultime scoperte sul rame fanno presagire che un suo largo utilizzo verrà fatto in ambito ospedaliero. È stato provato infatti come in presenza di leghe di rame ci sia una significativa riduzione della sopravvivenza e della diffusione di batteri, in particolare dei cosiddetti MRSA (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus), un ceppo di Stafilococco aureo resistente a quasi tutti gli antibiotici (alla meticillina,ma anche alla oxacillina, alla nafcillina,all'imipenem e alle cefalosporine) e responsabile di infezioni pericolosissime per i pazienti.
Nulla da invidiare al quadro di un artista...

Rubare i segreti della natura sembra una scelta vincente per la ricerca scientifica. Da qualche anno si è scoperto, per esempio, che i gechi riescono a camminare su qualsiasi superficie grazie ai piccoli peli (spatulae) che ricoprono le dita espanse del rettile e l'attrazione molecolare da essi prodotta (la cosiddetta forza di van der Waals). Nel 2003 un gruppo di ricerca dell'università di Manchester è riuscito a produrre un nastro adesivo che ricrea proprio la capacità adesiva delle spatulae (nella foto, una micrografia elettronica). Il nastro è ricoperto da colonnine di plastica (nella foto) alte appena due millesimi di millimetro ed è potentissimo: 0,5 centimetri quadrati riescono a reggere un oggetto da 100 grammi e più.

Le mosche sono in grado di percepire il gusto non solo attraverso la piccola proboscide con cui succhiano il cibo (nella foto, una micrografia elettronica), ma con sensori chimici disseminati su tutto il corpo, incluse le zampe. Sensori, tra l'altro, così sofisticati da permettere all'insetto di distinguere diverse sfumature di dolce e amaro, individuando senza problemi eventuali sostanze tossiche. Recenti studi hanno confermato che l'abilità di distinguere il gusto è addirittura superiore a quella verificata sui mammiferi. I sensori dell'amaro e del dolce appartengono a classi distinte di neuroni che danno istruzione alla mosca sulla pericolosità o meno della sostanza, connettendo aree separate del cervello. Questi studi potrebbero servire al perfezionamento di insetticidi sempre più efficaci.

Anche il sangue ha le sue proteine: tra queste l'albumina è la più importante. Oltre a mantenere costante il livello dei liquidi nel sangue - la sua funzione principale - ha un ruolo fondamentale nel processo di coagulazione. In questa micrografia elettronica si possono vedere proprio i cristalli di albumina formatisi al di sopra di una piccola ferita che ha provocato la fuoriuscita di sangue dalla pelle. Insieme alle altre proteine (globuline e fibrinogeno), l'albumina forma il grumo - la cosiddetta crosta - che blocca l'emorragia e protegge la ferita da eventuali batteri o corpi estranei. Questa proteina è fondamentale anche nel mantenimento del livello degli ormoni e del calcio.

La micrografia di un ago che sta per essere infilato nella pelle svela i particolari di un atto generalmente odiato da tutti, grandi e bambini. Anche vista la loro estesa impopolarità, le classiche iniezioni via ago saranno probabilmente sostituite in futuro da nuove tecnologie come quella ideata da un inventore britannico. Peter Crocker ha progettato una siringa che spara (letteralmente) il farmaco nei tessuti: la velocità in cui il liquido entra sotto pelle è di 100 chilometri all'ora in un ventimillesimo di secondo. Il dolore percepito risulta nullo poiché i recettori del dolore non sono stimolati: inoltre i tessuti non vengono lacerati e i vasi sanguigni non si rompono.

Le diatomee sono alghe microscopiche ma resistentissime grazie all'involucro siliceo (frustulo), fatto di due valve incastrate l'una nell'altra, come una scatola e il suo coperchio. Questi gusci esibiscono forme affascinanti, a dimostrazione che la Natura può essere il migliore degli artisti, come vi abbiamo fatto vedere nella fotogallery "Natura: wow, che forme!". Quando le condizioni ambientali ne hanno consentito il proliferare, le diatomee, depositandosi sul fondo marino, hanno dato origine a rocce friabili, dette diatomiti. Nella foto, la micrografia a falsi colori di uno di questi organismi unicellulari (Triceratium sp.).

Per entrare all'interno di un batterio c'è bisogno di uno strumento particolarmente potente, come il microscopio elettronico a trasmissione (TEM): in questo caso la risoluzione (cioè la più piccola distanza tra due punti che permette di vedere entrambi come distinti) riesce a scendere all'ordine dei 0,3 nanometri. Questo tipo di microscopio utilizza una sorgente che produce un fascio di elettroni concentrato e focalizzato attraverso un sistema di lenti magnetiche sul campione in esame. Un'altra lente magnetica poi ingrandisce l'immagine che si forma su una lastra luminescente posta sotto il campione e che può essere fotografata. Nella foto, la micrografia di un batterio (Nitrosospira sp.) ottenuta con questa tecnica.

Il lago Vostok è il più grande dei laghi cosiddetti subglaciali presenti in Antartide: si trova intrappolato sotto uno strato di 4 chilometri di ghiaccio e questo gli ha permesso così di rimanere immutato e isolato rispetto al resto del mondo. Le acque del lago, rimaste allo stato liquido a causa del calore proveniente dall'interno della Terra, potrebbe ospitare un ecosistema unico e pieno di sorprese. Nella foto, ecco la micrografia elettronica di un microrganismo ritrovato proprio in questo lago che preserva intatte forme di vita risalenti ad almeno 400.000 anni. Per la scienza questo organismo potrebbe essere del tutto nuovo: è stato per questo soprannominato "Klingon", dal nome di un guerriero alieno della serie televisiva Star Trek.

La chiamano rosa di Natale (Helleborus niger) e per la popolazione anglosassone è uno dei simboli principali di questa festività, ma l'elleboro, una pianta erbacea perenne a fioritura invernale, è conosciuta ance per le proprietà medicinali. Conosciuta nel lontano passato per la capacità di curare la pazzia, è oggi usata nella cura dei reumatismi, della gotta e delle malattie mentali. In realtà, questa pianta può essere anche altamente velenosa se ingerita: contiene infatti glicosidi cardioattivi che possono danneggiare il muscolo cardiaco sia negli animali che negli uomini.
Nella foto, la micrografia al microscopio elettronico della sezione di una foglia di elleboro.

Con le foto del giorno precedenti abbiamo mostrato come molte strutture umane assomiglino a quelle presenti in natura, come se questo fosse il segno del fatto che la natura opera con principi semplici e universali.
Nella foto la micrografia al microscopio elettronico svela la struttura interna di una spugna (Porifera), animale acquatico (prevalentemente marino, a eccezione degli Spongillidi d'acqua dolce) il cui scheletro interno è secreto dagli scleroblasti che producono scleriti cristallini o spicole e gli spongioblasti i quali secernono la spongina, che costituisce fibre filamentose. Le spugne sono caratterizzate da un sistema di alimentazione unico fra gli animali: non possiedono la bocca, ma filtrano l'acqua attraverso i loro piccoli pori rifornendosi così delle sostanze nutritive necessarie e di ossigeno.

Se l'apparato femminile di un fiore assomiglia alla faccia superiore della lingua umana, quello maschile ci può ricordare tutt'altro.
Questa micrografia elettronica ritrae in particolare gli stami di un'aquilegia (Aquilegia sp.), pianta erbacea delle Ranuncolacee la cui parte vegetativa scompare in inverno, per germogliare poi di nuovo alla fine della stagione fredda. I fiori che rinascono a primavera richiamano la forma del becco o degli artigli di un'aquila da cui prendono il nome.
Ogni stame è costituito da un filamento che supporta l'antera, una sorta di bulbo che contiene il polline, vale a dire le cellule sessuali maschili. Nella foto del giorno di domani, vi sveliamo un nuovo parallelismo...

Nel numero in edicola di Focus (n. 134, dicembre 2003), un servizio è interamente dedicato alle fibre del futuro. Secondo le novità in questo campo indosseremo infatti tessuti antibatterici, che si illuminano o che rilasciano profumi, cosmetici o addirittura farmaci. Un settore insomma in pieno fermento dove le fibre sintetiche forse la faranno da padrone. La prima mai prodotta tra queste è stata il nylon, risultato più forte ed elastico della seta e relativamente inattaccabile da umidità e muffe. Nella foto, una micrografia al microscopio elettronico della trama di una calza di nylon.

L'incontro tra la preda e il predatore offre in questa micrografia al microscopio elettronico nuovi punti di vista. Un ragno (Araneus diadematus) si accinge a ingoiare la mosca catturata nella sua tela: i denti aguzzi (in rosso, nella foto) trattengono l'insetto e lo paralizzano con la sostanza velenosa emessa, che non ha però quest'unico scopo. Il veleno infatti provocherà la liquefazione dell'insetto stesso, permettendo al ragno di sorbirsi letteralmente la preda. L'ingrandimento permette inoltre di notare gli otto occhi del ragno e le sue zampe coperte di aculei e setole. A volte i ragni possono essere pericolosi anche per l'uomo: in questi casi interviene addirittura la legge…

A volte la natura svela forme perfettamente geometriche, come questa piccola colonia di alghe verdi (pediastrum sp.) a forma di rotella dentellata. La micrografia al microscopio elettronico rivela una cellula centrale circondata da cerchi concentrici di altre cellule. Quelle più esterne hanno due lobi che si proiettano all'esterno dando all'alga il tipico aspetto "dentellato". Le cloroficee (alghe verdi) possiedono un corredo di pigmenti e clorofilla uguale a quello delle piante superiori e possono essere rappresentate dal forme unicellulari isolate o da forme coloniali come nel caso qui presentato.

La micrografia elettronica (SEM) di una cellula dendritica evidenzia le lunghe proiezioni che rappresentano per la cellula gli strumenti per muoversi alla ricerca di cellule estranee. Parti attive del sistema immunitario, sono dette anche macrofaghe, in quanto riconoscono e divorano le particelle "nemiche". Le cellule dendritiche devono il loro nome alla capacità di emettere e retrarre i sottili processi citoplasmatici che ricordano i dendriti dei neuroni, con cui però non devono venire confusi. Sono classificate in base alla collocazione e alla funzione: quelle della foto sono cellule dei tessuti, in particolare cellule Langerhans cutanee, ma possono essere presenti anche nel sangue, nelle vie respiratorie, nelle cellule interstiziali di organi come rene, intestino, polmone, tiroide, ecc.

Un esercito di acari: è questa il messaggio che trasmette questa micrografia composta di centinaia di acari (Dermatophagoides sp.), i parassiti che invadono quotidianamente le case in cui viviamo. Gli acari, non più grandi di 30 micron, si nascondono e si moltiplicano tra la polvere dei materassi, dei divani e dei tappeti, nutrendosi delle cellule morte di materiali organici che inevitabilmente sono presenti in casa. Se ne possono annidare a milioni e le loro feci sono tra i principali responsabili di alcune allergie che si riscontrano negli esseri umani, come asma, riniti o dermatiti.
Come difendersi? Non c'è aspirapolvere che funzioni. L'unica arma è aerare i locali di casa: in questo modo si altera infatti l'habitat degli ospiti indesiderati che muoiono in breve tempo.

In una sezione di cervello grande quanto un granello di sabbia si possono trovare fino a centomila neuroni - per un totale di cento miliardi di cellule in un cervello medio alla nascita: sono loro a ricevere e ritrasmettere le informazioni che consentono l'attività cerebrale.
Avere la possibilità di osservare la conformazione di una cellula nervosa non significa però dipanare del tutto la complessità della struttura e della funzionalità nervosa: è comunque uno spettacolo questa micrografia colorata di un neurone della retina attorcigliato ad un capillare.

Cristalli per l'intestino: quello ritratto in questa micrografia a falsi colori è il Loperamide, un farmaco antidiarrotico che agisce rallentando la motilità intestinale e riducendo la velocità con cui il cibo attraversa l'intestino. Questo gruppo di cristalli misura circa 250 micron di diametro.

Siam fatti così: un viaggio alla scoperta del corpo umano.

Il "reticolato" arancione che vedete in questa micrografia elettronica a scansione è costituito dai capillari sanguigni che intersecano le fibre muscolari cardiache (in rosa). In futuro sarà forse possibile diagnosticare il sopraggiungere di un infarto grazie a un nuovo esame del sangue. In un articolo pubblicato sul Journal of Molecular and Cellular Cardiology, un'equipe di ricercatori americani spiega di aver rilevato consistenti concentrazioni di una proteina, la proteina C legante la miosina, nel sangue subito dopo un attacco di cuore. In attesa che studi futuri possano fornire ulteriori dettagli, ci sono alcuni fattori di rischio o protettivi, meno conosciuti di quelli "canonici", che occorre tenere presenti quando si parla di infarto. Per esempio, le donne che vivono in città sono esposte a un rischio maggiore di malattie cardiovascolari (il 33,05% del campione preso in esame in un recente studio ha infatti il colesterolo alto). Mentre gli uomini che diventano padri sono più protetti da queste patologie. Secondo una ricerca dell'Università di Stanford, (California) infatti, la sterilità maschile potrebbe fare da apripista a problemi cardiovascolari.