Fig. 1: Disegno della struttura del sughero di Robert Hooke, che la osservò in un rudimentale microscopio. Tale immagine è contenuta nella sua opera Micrographia. (Credit: Wikipedia.org)

La comparsa del microscopio segnò una tappa importante nello sviluppo della teoria cellulare.
Nel 1665, lo scienziato inglese Robert Hooke, usando un microscopio composto di sua invenzione, scoprì che il sughero era formato da minuscoli scompartimenti che chiamò cellule, paragonandole alle celle di un monastero.
Da allora e nel sucessivo secolo e mezzo, i biologi gradualmente conclusero che tutta la materia vivente (animale e vegetale) era costituita da cellule e che ogni cellula era un'entità vivente indipendente.
Nel 1838 il botanico tedesco M.J. Schleiden annunciò che ogni tessuto vegetale era costituito da cellule; altrettanto fece, nell'anno successivo, il fisiologo tedesco Theodor Schwann riferendosi alle cellule animali.
Mentre già nel 1673, uno dei primi microscopisti, Johann Hamm, assistente di Leeuwenhoek, aveva scoperto nel liquido seminale dei minuscoli corpuscoli, chiamati in seguito spermatozoi (dal greco "seme animale"), fu solo molto più tardi, nel 1827, che il fisiologo tedesco Karl Ernest von Baer scoprì gli ovociti dei mammiferi.  È in quest'epoca che ai biologi divenne chiaro che ogni animale, perfino il più grande, aveva origine da una singola cellula: dall'unione di una cellula uovo e di uno spermatozoo si formava un uovo fecondato, da cui, per ripetute divisioni, si sviluppava l'essere vivente.

La cellula ha una complessa struttura interna che venne scoperta poco alla volta nel corso del XIX secolo. Fu nel 1831 che Robert Brown individuò all'interno di una cellula vegetale una piccola struttura sferica, pari a circa un decimo del volume cellulare, che fu chiamata nucleo.

Fig. 3: Illustrazioni di cellule in cui sono evindeziati i cromosomi durante la mitosi. L'immagine è stata estratta dal libro Zellsubstanz, Kern und Zelltheilung, 1882. (Credit: Wikipedia.org)

Uno studio più approfondito del nucleo e del processo di suddivisione della cellula, fu ostacolato per molto tempo dal fatto che la cellula è pressochè trasparente. Le ricerche migliorarono quando i biologi scoprirono che era possibile, utilizzando determinate sostanze, colorarne solo alcune parti. In particolare nel 1879 il tedesco Walther Flemming si accorse che certe tinture rosse erano in grado di far risaltare piccoli granuli all'interno del nucleo cellulare che il biologo chiamò "cromatina". Esaminando questo materiale, Fleming fu in grado di seguire alcuni cambiamenti che avvengono nel processo di divisione cellulare e nel 1882, pubblicò i risultati delle sue ricerche in un libro. Egli aveva osservato che durante la divisione di una cellula, all'interno del nucleo la cromatina si addensava in  filamenti che si disponevano a forma di stella (aster); successivamente l'aster si suddivideva, metà da una parte e metà dall'altra, dentro le due cellule che risultavano dal processo di divisione. Flemming chiamò questo processo " mitosi" (dal greco "filo"), giacché sembrava che questi filamenti di cromatina avessero un ruolo cruciale nella fase di divisione cellulare. Sei anni più tardi il tedesco von Waldeyer introdusse per questi filamenti il nome con cui li conosciamo ancora oggi: "cromosomi" (dal greco "corpi colorati").
Nel 1885, l'embriologo belga Eduard von Beneden scoprì che le cellule uovo e gli spermatozoi possedevono solo metà dei cromosomi presenti nelle normali cellule dell'organismo. Il processo di divisione cellulare, da cui hanno origine uova e spermatozoi fu chiamato, per questo motivo, meiosi dal greco "diminuire".

Nel 1902 l'americano Walter Sutton e il tedesco Theodor Boveri arrivarono indipendentemente alla conclusione che i cromosomi si presentano in coppie ereditate per metà dal padre e per metà dalla madre (coppie omologhe), intuendo così che doveva esistere una relazione tra i cromosomi e i fattori ereditari (introdotti da Mendel nel 1860). L'unico problema in questa analogia stava nel fatto che, il numero di cromosomi è molto inferiore al numero dei caratteri ereditati. Ben presto, però, si arrivò alla conclusione che ciascun cromosoma doveva avere un insieme di geni e che i caratteri ereditari erano portati dai geni e non dai cromosomi.

Fig. 4: Illustrazione ad acquerello della Drosophila di Edith M. Wallace. Questa immagine è stata pubblicata in "Contributions to the Genetics of Drosophila melanogaster" di C.B. Bridges e T.H. Morgan (Washington, DC: Carnegie Institution; 1919), CIW publication #278.

Progressi nel campo della genetica (termine coniato all'inizio del '900 da William Bateson) furono ottenuti nel 1910 dallo zoologo americano Thomas Hunt Morgan (Premio Nobel per la medicina 1933) che ebbe l'idea di utilizzare i moscerini della frutta (Drosophila melanogaster) per le sue ricerche. Il moscerino della frutta è in effetti un soggetto ideale per osservare come certe caratteristiche vengono trasmesse di generazione in generazione, poiché non ha bisogno di grandi quantità di cibo, si riproduce molto e in fretta, ha caratteristiche ereditarie facili da individuare e possiede un corredo cromosomico relativamente semplice: solo quattro coppie. Nel corso di oltre vent'anni di ricerche, Morgan scoprì i cromosomi responsabili della trasmissione dei caratteri sessuali (X e Y) e cominciò a capire i meccanismi di trasmissione di malattie genetiche legate proprio ai cromosomi sessuali.
Durante i suoi studi, si accorse inoltre che la posizione dei geni su un cromosoma non era immutabile. Parti di un cromosoma potevano scambiare il posto con parte dell'altro cromosomo omologo; come risultato di questo processo (crossing-over), caratteri appaiati sono separati e riordinati secondo un nuovo schema. Studiando la frequenza di crossing over, Morgan e il suo collaboratore Alfred Sturtevant furono in grado di determinare, per il moscerino della frutta, le prime mappe cromosomiche.

È intorno agli anni '30 che inizia il grande filone di ricerca sull'ereditarietà che porterà, negli anni successivi, alla scoperta del DNA e, in tempi più recenti, alla definitiva affermazione della genetica e della biologia molecolare.