elementair natuurwetenschappen voor de derde graad STW
6.4
4 uur/week Marleen Chalmet Rudi Goossens Stefan Haenen Ivo Janssens Christine Organe
Voorwoord Elementair 6.4 is een leerwerkboek dat bestemd is voor leerlingen in het tweede leerjaar van de derde graad tso/kso, met 4 tot 5 uren natuurwetenschappen per week. Het behandelt tien thema’s biologie en acht thema’s fysica. Elementair 6.4 is het vervolg op de methode voor de tweede graad (Elementair 3.2 en 4.2). De methode voor de tweede graad wordt naadloos verdergezet. Thema’s starten met een korte schets en een tabel van de inhoud; een openingsvraag hierbij spitst de aandacht. De theorie wordt overzichtelijk gegroepeerd en gestructureerd aangebracht, met experimenten en opdrachten. Opgaven aan het eind van een thema zorgen voor inoefening en uitbreiding. Thema’s sluiten af met een overzichtelijke samenvatting. Experimentele vaardigheden worden verworven met ‘Aan de ADS slag’-opdrachten. Daarbij wordt er veel aandacht besteed aan het onderzoekend leren/leren onderzoeken. We geven met een herkenbaar icoontje aan op welke plaatsen er eventueel een Aan de slag gemaakt kan worden. Naast de ‘Aan de slag-opdrachten’ in dit boek zijn er een groot aantal terug te vinden bij het onlinelesmateriaal. De leerstof wordt gevarieerd aangeboden, met veel illustratief materiaal en met de nadruk op zelfactiviteit en samenwerkend leren. • ‘Loepmannetjes’ tonen het belang van de natuurwetenschappen in het dagelijks leven en in de techniek; ze belichten actuele items. • Er wordt voortdurend gezocht naar aansluiting met de studierichtingen die de leerlingen kozen. • Formules worden tot een minimum beperkt en bij voorkeur gebruikt in voorbeeldopdrachten die aansluiten bij hun leefwereld. Leerlingen worden gemotiveerd voor natuurwetenschappen door situaties uit het dagelijks leven als uitgangspunt te nemen, ook in de opgaven. Naast de ‘klassieke’ vraagstukken worden contextrijke problemen aangeboden. Uitgaande van de aanbevelingen in de eindtermen zijn de opgaven onderverdeeld in vijf categorieën: • Bij de kennisvragen (K) worden kennis en inzicht getoetst of moet een formule worden ingevuld, de oplossing van het probleem bestaat meestal uit slechts één stap. • Bij de toepassingsvragen (T) moeten concepten en formules worden toegepast, het probleem kan met behulp van een eenvoudige strategie worden opgelost. • De probleemvragen (P) vereisen probleemoplossend denken: het gegeven en het gevraagde grondig analyseren, mogelijke concepten en formules selecteren, een oplossingsstrategie uitwerken, het resultaat controleren. • Bij de opzoekvragen (O) zoeken de leerlingen gegevens op het internet die verder verwerkt worden in de opgaven. • Bij de ‘extra’-vragen wordt er dieper ingegaan op de leerstof. Ze vergen een uitgebreidere kennis van de leerstof. Het onlinelesmateriaal biedt nog extra oefeningen. Ook dit leerwerkboek hebben we met veel zorg samengesteld. Toch is het mogelijk dat u opmerkingen, aanvullingen of suggesties hebt. We stellen het steeds op prijs als u die bezorgt aan de uitgeverij. De auteurs
3
Inhoud Voorwoord 3
Deel 1 HOMEOSTASE EN AFWEER Thema 1: Het begrip homeostase
11
1 Wat is …?
13
2 Voorbeelden van homeostatische regelsystemen
16
1.1 Uitwendig en inwendig milieu van organismen 1.2 Homeostase 1.3 Coördinatie door het hormoonstelsel 1.4 Homeostatisch regelsysteem 2.1 Thermoregulatie 2.2 Regeling van de glucoseconcentratie in het bloed 2.3 Waterhuishouding
13 14 14 14
16 17 18
Opgaven 20 Samenvatting 22
Thema 2: Homeostatische functie van het bloed en de lymfe
23
1 Bloedvatenstelsel en lymfatisch systeem: een noodzaak 2 Het bloedvatenstelsel
25 25
3 Bloeddruk en bloeddrukregeling
29
4 Het lymfatisch systeem 5 Functies en samenstelling van het bloed
32 33
6 Homeostatische werking van de nieren
36
2.1 De bloedsomloop 2.2 Soorten bloedvaten 2.3 Bouw van het hart 2.4 Werking van het hart
3.1 Bloeddruk 3.2 Bloeddrukregeling via het zenuwstelsel 3.3 Bloeddrukregeling via het hormoonstelsel
5.1 Bloedcellen 5.2 Samenstelling van het bloedplasma 5.3 Hematocriet
6.1 Excretieorganen bij de mens 6.2 Bouw van de nieren 6.3 Bouw van een nefron 6.4 Functies van de nieren 6.4.1 Productie van urine 6.4.2 Osmoregulatie 6.4.3 Regeling van de aanmaak van rode bloedcellen
25 26 27 28 29 30 31
33 34 34
36 36 38 38 38 40 40
Opgaven 41 Samenvatting 43
Thema 3: Homeostatische functie van het afweersysteem
45
1 Noodzaak van een afweersysteem 2 Niet-specifieke afweer
47 48
3 Specifieke afweer
50
2.1 De huid en de slijmvliezen als eerste barrière 2.2 Fagocytose – celperforatie – signaalstoffen: tweede barrière
3.1 Antigeen en antistof 3.2 Lymfocyten en lymfoïde organen 3.3 Cellulaire immuniteit
4
48 49
50 51 53
3.4 Humorale immuniteit
54
4 Verschil tussen natuurlijke immuniteit en immunisatie
55
5 Belangrijke infectieziekten
56
6 Problemen met het afweersysteem
59
7 Bloedgroepen
60
4.1 Natuurlijke immuniteit 4.2 Immunisatie 5.1 Griep 5.2 Aids
6.1 AllergieĂŤn 6.2 Afstoting bij weefseltransplantatie 7.1 ABO-groepen 7.2 Resusfactor
55 55
56 57 59 59
60 62
Opgaven 63 Samenvatting 65
Deel 2 GENETISCH MATERIAAL - CELCYCLUS Thema 4: Cellen leven en delen
67
1 Erfelijke informatie in de kern
69
2 De gewone celdeling of mitose
72
1.1 DNA en chromosomen 1.2 Structuur van DNA 1.3 Hoe functioneert de genetische code?
2.1 Delen om te groeien 2.2 Delingsrust en DNA-replicatie 2.3 Verloop van mitose 2.4 Het belang van mitose 2.5 Factoren die de celdeling beĂŻnvloeden 2.6 Kanker 2.6.1 Ongecontroleerde celdeling 2.6.2 Behandeling van kanker 2.6.3 Voorkomen van kanker
69 70 71
72 73 74 77 77 78 78 79 80
Opgaven 81 Samenvatting 83
Deel 3 VOORTPLANTING Thema 5: Geslachtelijke en ongeslachtelijke voortplanting
85
1 Ongeslachtelijke voortplanting 2 Geslachtelijke voortplanting
87 88
3 Seksualiteit bij planten
92
4 Seksualiteit bij dieren 5 Klonen van dieren
95 96
2.1 2.2 2.3 2.4
Belang van geslachtelijke voortplanting De chromosomen bij de mens Meiose of reductiedeling Mitose versus meiose
3.1 Waar komen de gameten voor? 3.2 Hoe versmelten de gameten? 3.3 Hoe ontstaat een nieuwe plant?
5.1 Stamcellen 5.2 Klonen
88 89 90 90
92 93 94
96 96
Opgaven 97 Samenvatting 99 5
Thema 6: Seksualiteit bij de mens
101
1 Primaire geslachtskenmerken 2 Secundaire geslachtskenmerken 3 De man
103 105 107
4 De vrouw
110
5 De bevruchting 6 Seksueel overdraagbare aandoeningen
114 115
3.1 Eerste functie van de teelbal: zaadproductie 3.2 Tweede functie van de teelbal: productie van testosteron 3.3 De ejaculatie 4.1 Bouw van de vrouwelijke geslachtsorganen 4.2 Rijping van de eicellen 4.3 Hormonale regeling 4.3.1 Ontwikkeling van de vrouwelijke geslachtsorganen 4.3.2 Regeling van de menstruatiecyclus 4.3.3 De innesteling 4.3.4 De bevalling
6.1 Bacteriële soa’s 6.2 Virale soa’s 6.3 Baarmoederhalskanker
107 108 109 110 111 112 112 112 113 113
115 116 118
Opgaven 118 Samenvatting 121
Thema 7: Geboorte
123
1 Van zygote tot baby
125
2 De geboorte 3 Onderzoek van tweelingen 4 Verminderde vruchtbaarheid
128 129 130
5 Voorkomen van zwangerschap
134
1.1 De ontwikkeling van de baby 1.2 Veranderingen bij de moeder
4.1 4.2 4.3 4.4
Kunstmatige inseminatie (KI) Stimulatie van de eisprong en embryotransplantatie (ET) In-vitromaturatie (IVM) Donoreicel en donorzaadcel
5.1 Natuurlijke methoden 5.2 Anticonceptiemethoden 5.2.1 Niet-hormonale methoden 5.2.2 Hormonale methoden 5.3 De pil vergeten: wat nu? 5.4 Potentieel abortieve methoden
125 127
131 131 132 133
134 135 135 135 137 138
6 Sterilisatie 139 7 De eerste keer 140 Opgaven 141 Samenvatting 143
Deel 4 ERFELIJKHEID Thema 8: Chromosomale erfelijkheid
145
1 Mendeliaanse overerving
147
1.1 Kruisingen met erwtenplanten 1.2 Monohybride kruisingen 1.2.1 Monohybride kruisingen met dominante overerving 1.2.2 Moderne genetica en Mendel 1.2.3 Monohybride kruising met intermediaire overerving 1.2.4 Wetten van Mendel 1.3 Dominante kenmerken bij de mens
6
147 149 149 151 152 154 155
1.4 Dihybride kruisingen
156
2 Multipele allelen 3 Erfelijkheid bij de mens
158 160
3.1 3.2 3.3 3.4
Chromosomen, genen en allelen Erfelijke aandoeningen bij de mens Erfelijkheid van het geslacht Geslachtsgebonden overerving 3.4.1 Hemofilie of bloederziekte 3.4.2 Rood-groenkleurenblindheid of daltonisme
160 161 163 164 165 166
Opgaven 167 Samenvatting 171
Thema 9: Moleculaire erfelijkheid
173
1 Eiwitsynthese
175
2 Wijziging van de erfelijke aanleg
180
3 Een staaltje van biotechnologie: fouten opsporen 4 Wijziging van de erfelijke aanleg door de mens
187 190
1.1 Van genetische code tot eiwit 1.2 Plaats van de eiwitsynthese in de cel 1.3 Eiwitten en genen 2.1 Modificaties 2.2 Mutaties 2.2.1 Genoommutaties 2.2.2 Genmutaties 2.2.3 Genenkaarten van het menselijk genoom 2.2.4 Mutaties situeren op een genenkaart
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5
Biotechnologie in de geneeskunde Genen op ons bord Recombinant DNA-technologie Veiligheid van GGO’s Hoe herken je een GGO?
175 179 179
180 181 181 182 185 185
190 191 191 193 193
Opgaven 194 Samenvatting 196
Deel 5 EVOLUTIE Thema 10: Ontstaan en evolutie van soorten
199
1 Het ontstaan van het leven 2 Evolutie volgens Jean-Baptiste de Lamarck 3 Evolutie volgens Charles Darwin
201 202 203
4 De moderne evolutietheorie (neodarwinisme)
209
5 Gegevens over het evolutieverloop
214
6 Evolutie in de tijd 7 Evolutie van de mens
218 218
3.1 Darwinvinken van de Galapagoseilanden 3.2 Argumenten voor Darwins evolutietheorie 3.2.1 Argumenten uit de geologie 3.2.2 Argumenten uit de embryologie 3.2.3 Argumenten uit de anatomie 3.2.4 Argumenten uit de paleontologie 3.3 Natuurlijke selectie als evolutiemechanisme 4.1 Mutaties 4.2 Natuurlijke selectie 4.3 Soortvorming door isolatie 4.4 Toeval
5.1 Gegevens uit de paleontologie 5.2 Gegevens uit de moleculaire biologie
7.1 Verschillen tussen mens en mensapen
203 204 204 205 206 207 207 209 210 212 214 215 216
218
7
7.2 Verwantschapsbomen 7.2.1 Verwantschapsboom van mensaap en mens 7.2.2 Verwantschapsboom van mensachtigen 7.3 Conclusies
221 221 222 222
Opgaven 225 Samenvatting 227
Deel 6 MECHANICA Thema 11: Bewegen
229
1 Begrippen bij de beschrijving van een beweging
231
2 Eenparig rechtlijnige beweging – ERB
234
3 Kracht op een voorwerp
242
4 Kracht en snelheidsverandering
245
1.1 Rust en beweging 1.2 Baan van een voorwerp 1.3 Afstand – afgelegde weg – verplaatsing
2.1 2.2 2.3 2.4 2.5
Wat is een eenparig rechtlijnige beweging? Snelheid bij een ERB x(t)- en v(t)-grafiek bij een ERB Δx uit een v(t)-grafiek halen ERB’s met verschillende snelheid
3.1 Effect van een kracht 3.2 Vectorieel karakter van een kracht 3.3 Resulterende kracht 4.1 Vectorieel karakter van snelheid 4.2 Kracht en snelheidsverandering 4.2.1 De snelheid verandert niet 4.2.2 De snelheid verandert 4.3 De middelpuntzoekende kracht
231 232 233
234 235 237 240 241 242 243 243
245 246 246 247 248
Opgaven 250 Samenvatting 253
Thema 12: Versnellen
255
1 Versnelling 2 Eenparig veranderlijke rechtlijnige beweging - EVRB
257 258
3 Versnellen en vertragen kun je voelen 4 De valbeweging
266 267
2.1 2.2 2.3 2.4
Wat is een eenparig veranderlijke rechtlijnige beweging? EVRB en resulterende kracht x(t)-, v(t)- en a(t)-grafiek bij de EVRB Afgelegde weg bij een EVRB 2.4.1 EVRB zonder beginsnelheid 2.4.2 EVRB met beginsnelheid 2.5 Eenparig vertraagde beweging
4.1 Wat valt het snelst? 4.2 De valbeweging in formules
258 258 259 262 262 263 264
267 269
Opgaven 270 Samenvatting 273
Thema 13: De wetten van Newton
275
1 De eerste wet van Newton
277
2 De tweede wet van Newton
281
1.1 Experimenteel onderzoek 1.2 Traagheid in het verkeer
2.1 Experimenteel onderzoek 2.2 De tweede wet van Newton en de zwaartekracht
8
277 280 281 284
2.3 Verkeersveiligheid
284
3 De derde wet van Newton
286
4 Behoud van energie
290
3.1 Experimenteel onderzoek 3.2 Actie-reactie en beweging
4.1 Arbeid en energie 4.2 Kinetische energie 4.3 PotentiĂŤle energie 4.4 Wet van behoud van mechanische energie 4.5 Remmen!
286 288
290 291 292 293 294
Opgaven 295 Samenvatting 297
Deel 7 GELUID EN LICHT Thema 14: Trillingen en golven
299
1 Trillingen en golven
301
2 Soorten golven
304
3 Kenmerken van golven
307
1.1 Trillingen 1.2 Golven
2.1 Transversale en longitudinale golven 2.2 Mechanische en elektromagnetische golven 3.1 Golflengte en frequentie 3.2 Golfsnelheid
301 302
304 306 307 308
Opgaven 309 Samenvatting 310
Thema 15: Geluid
311
1 Ontstaan van geluid
313
2 Kenmerken van geluid
316
3 Golfverschijnselen
321
4 Toepassingen van geluid
324
1.1 Geluidsbronnen 1.2 Voortplanting en snelheid van geluid 2.1 Toonhoogte 2.2 Toonsterkte 2.3 Toonklank
3.1 Eigenfrequentie en resonantie 3.2 Interferentie en antigeluid 3.3 Buiging van geluid 4.1 Het dopplereffect 4.2 De geluidsbarrière
313 314
316 318 320 321 323 323
324 326
Opgaven 327 Samenvatting 329
Thema 16: Elektromagnetische straling
331
1 Elektromagnetische straling
333
2 Soorten elektromagnetische straling
338
1.1 Het elektromagnetisch spectrum 1.2 Hoe ontstaat licht? 1.3 Wat is de kleur van licht? 2.1 Infraroodgolven 2.2 Radiogolven 2.3 Microgolven 2.4 Ultravioletstralen
333 334 336
338 340 340 342
9
2.5 RĂśntgenstralen 2.6 Gammastralen
3 Interferentie bij licht 4 Interactie tussen licht en materie 5 Toepassingen van licht 5.1 Fluorescentie 5.2 Polarisatie van licht
343 344
345 346 347 347 350
Opgaven 351 Samenvatting 353
Deel 8 KERNFYSICA Thema 17: Kernfysica in theorie
355
1 Inleiding 2 De atoomkern
357 357
3 Massa en energie
361
4 Kernstraling
365
5 Stabiliteit en verval van kernen
368
6 Invloed van kernstraling op deomgeving
375
7 Radioactiviteit meten
379
2.1 Nucleonen en nucliden 2.2 Isotopen 2.3 De sterke kernkracht 3.1 Massadefect 3.2 Bindingsenergie
4.1 Wat is kernstraling? 4.2 Natuurlijke kernstraling 5.1 Alfaverval 5.2 Bètaverval 5.3 Gammaverval 5.4 Halveringstijd 5.5 Radioactieve vervalreeksen
6.1 Kernstraling moeilijk tegen te houden? 6.2 Lichamelijke schade
7.1 Hoeveel straling wordt er uitgezonden? 7.2 Opname van straling: geabsorbeerde dosis 7.3 Biologisch effect van een geabsorbeerde dosis
357 359 360 361 363
365 366
369 371 372 372 374 375 378
379 381 381
Opgaven 383 Samenvatting 385
Thema 18: Kernfysica in praktijk
389
1 Energie uit de atoomkern
391
2 Radionucliden in de geneeskunde
396
1.1 Kernfissie 1.2 Kernfusie
2.1 Diagnose met technetium (Tc-99) 2.2 Radiotherapie in de strijd tegen kanker 2.3 Hightech radiotherapie
391 394
396 397 399
3 Terug in de tijd: radiometrische datering 399 Opgaven 401 Samenvatting 403
Register 404
10
H OMEOSTASE E N A F W EER
Thema
1
Het begrip homeostase
Openingsvraag
Waarover gaat dit thema
Als je 1 liter bier drinkt, moet je vaker plassen dan wanneer je 1 liter water drinkt. Hoe komt dat?
In het uitwendig milieu van dieren zijn er voort durende schommelingen in de fysische en chemi sche omstandigheden. Dieren kunnen die schommelingen opvangen zo dat hun inwendig milieu zo stabiel mogelijk blijft. Het vermogen om de stabiliteit van het inwen dig milieu te handhaven, noemen we homeo stase. In dit thema leer je aan de hand van een aan tal voorbeelden hoe homeostatische regel systemen werken.
Inhoud 1 Wat is …?
13
1.1 Uitwendig en inwendig milieu van organismen 13 1.2 Homeostase 14 1.3 Coördinatie door het hormoonstelsel 14 1.4 Homeostatisch regelsysteem 14
2 Voorbeelden van homeostatische regelsystemen 16 2.1 Thermoregulatie 2.2 Regeling van de glucoseconcentratie in het bloed 2.3 Waterhuishouding
16 17 18
Opgaven 20 Samenvatting 22
De oplossing vind je op p. 19.
12
1 1.1
Wat is …? Uitwendig en inwendig milieu van organismen Inwendig milieu Als je het te warm krijgt, ga je zweten. Als je het te koud hebt, ga je rillen. Als je lichaam te weinig voedsel of te weinig vocht heeft, krijg je honger of dorst. Zweten, rillen, honger en dorst krijgen, zijn reac ties van het lichaam op veranderde omstandig heden. Al die reacties van het lichaam hebben tot doel het inwendig milieu in het lichaam te stabiliseren. Het inwendig milieu wordt gevormd door de lichaamsvloeistoffen, namelijk bloed, weefsel vocht en lymfe.
Fig. 1.1
Transpirerende jonge vrouw
Uitwendig milieu Tegenover het inwendig milieu staat het uitwendig milieu. Dat is het milieu dat zich buiten het organisme bevindt. Ook de longinhoud, de inhoud van het spijsverteringskanaal, de nierinhoud en de baarmoe derholte worden tot het uitwendig milieu gerekend omdat deze organen via lichaamsopeningen met de buitenomgeving in contact staan. Via die openingen is er rechtstreekse uitwisseling van stoffen met het uitwendig milieu mogelijk. Het uitwendig milieu wordt meestal gekenmerkt door schommelingen in de fysische en chemische omstandigheden. – Landdieren en waterdieren kunnen leven in een omgeving die te warm of te koud is. – Veel waterdieren kunnen ook leven in water dat minder geconcentreerd (zoetwater) of meer geconcentreerd (zeewater) is dan de eigen lichaamsvloeistoffen. Dieren zijn in staat om de omgevingsveranderin gen op te vangen zodat de cellen, weefsels en organen er geen nadelige invloed van ondervin den. Ze kunnen dat dankzij homeostase.
Fig. 1.2
Een hond koelt af via de tong.
Het inwendig milieu wordt gevormd door de lichaamsvloeistoffen (bloed, weefselvocht en lymfe). Het uitwendig milieu wordt gekenmerkt door schommelingen in de fysische en chemische omstandigheden. Door homeostase ondervinden dieren daar geen nadelige invloed van.
Thema 1: Het begrip homeostase
13
1.2 Homeostase De term homeostase is afgeleid van het Grieks en betekent letterlijk: gelijke toestand (homoios = gelijk, stasis = toestand). Homeostase is het vermogen van dieren om het inwendig milieu (de lichaams vloeistoffen) stabiel te houden. Daardoor bevinden de cellen van het lichaam zich in een stabiele omgeving wat betreft temperatuur, osmotische druk, glucoseconcentratie, zuurgraad, zuurstofconcentratie, enzovoort. Het bewerkstelligen van homeostase is een heel complex gebeuren waar veel orgaanstelsels bij betrokken zijn. Coördinatie tussen de verschillende stelsels is daarbij van belang. Deze coördi natie komt tot stand door het hormoonstelsel en het zenuwstelsel.
Homeostase is het vermogen van dieren om het inwendig milieu (de lichaamsvloeistoffen) stabiel te houden.
1.3
Coördinatie door het hormoonstelsel Hormonen zijn moleculen met een specifieke werking op een of meer organen. Ze worden gemaakt in endocriene klieren en via de bloedbaan vervoerd. Cellen hebben in hun celmembranen specifieke receptoren die bij bepaalde hormonen passen. Zodra een hormoon zich aan zijn receptor bindt, wordt een reactieketen in de cel op gang gebracht. Op die manier zijn hormonen betrokken bij de instandhouding van de homeostase. Een voorbeeld van de instandhouding van de homeostase door hormonen is de regeling van de glucoseconcentratie in het bloed (zie verder).
bijnier
hypofyse epifyse
zwezerik
teelbal
schildklier
Fig. 1.3
pancreas
eierstok
Hormonen worden geproduceerd in endocriene klieren.
Hormonen worden gemaakt in endocriene klieren. Ze worden betrokken bij de instandhouding van de homeostase.
1.4 Homeostatisch regelsysteem Homeostatische systemen werken met een terugkoppelingssysteem dat perfect te vergelijken is met het systeem dat een centrale verwarming doet werken. – De thermometer in de woonkamer meet de BUITEN temperatuur. WOONKAMER – De thermostaat is een controlecentrum dat thermometer thermostaat de gemeten temperatuur vergelijkt met de gevraagde temperatuur. uit • Is de temperatuur te laag, dan vertrekt er aan een signaal naar de verwarmingsketel, effect die reageert en de temperatuur verhoogt. • Als de gevraagde temperatuur bereikt is, verwarmingsketel dan zal door negatieve terugkoppeling de effector uitgezet worden. Fig. 1.4
14
Controlesysteem bij een centrale verwarming
Elk homeostatisch regel UITWENDIG MILIEU INWENDIG MILIEU systeem bestaat uit drie afhanke lijke onderdelen. sensor (receptor) controlecentrum registreert veranderingen – Het eerste onderdeel is een sen verwerkt informatie in het inwendig milieu van de sensor; vergelijkt sor (= receptor) die verande waarden met setpoint; ringen in het inwendig milieu zet effector aan of uit negatieve registreert (te vergelijken met de terugkoppeling thermometer van de thermo staat). effect – Die informatie wordt doorge stuurd naar het tweede onder deel, het controlecentrum effector (te vergelijken met de ther voert een reactie uit waardoor het milieu gehandhaafd blijft mostaat zelf). Dat is vaak de hypothalamus. Die zorgt voor de regeling van de lichaamstem Fig. 1.5 Homeostatisch regelsysteem peratuur, de waterhuishouding, enzovoort. Ook andere hersen delen kunnen als controlecentrum dienstdoen. Controlecentra werken op basis van setpoints. Dat zijn grenswaarden waarbinnen het inwendig milieu stabiel wordt gehouden. Zo ligt het setpoint voor de lichaamstemperatuur rond 37 °C. – De informatie loopt van het controlecentrum naar het derde onderdeel, de effector (te vergelijken met de verwarmingsketel). Die voert een reactie uit waardoor het inwendig milieu gehandhaafd blijft). Vaak is dat een klierafscheiding of een beweging. Effectoren zijn dus klieren of spieren. Het resultaat van de reactie moet opnieuw door de receptor beoordeeld worden. Dat gebeurt door terugkoppeling of feedback. Daarbij stroomt opnieuw informatie door het regel systeem. Homeostatische regelsystemen werken met negatieve terugkoppeling. Dat wil zeggen dat het regelsysteem onderdrukt zal worden wanneer de homeostase wordt bereikt. De effectoren worden dan uitgezet.
Kippenvel en evolutie Zoogdieren met een vacht kunnen warmteverlies tegengaan door de haarspiertjes samen te trekken waardoor de haren zich oprichten. Daardoor komt er een dikkere isolerende luchtlaag rond de huid. Bij mensen is daar nog een overblijfsel van als we kippenvel krijgen. Het heeft echter geen nuttig effect tegen warmteverlies, omdat de mens niet meer be schikt over een vacht. Het dragen van kleding heeft de oorspronkelijke functie van haren overgenomen.
Fig. 1.6
Kippenvel
Elk homeostatisch regelsysteem bestaat uit drie afhankelijke onderdelen. – Het eerste onderdeel is de sensor (= receptor) die veranderingen in het inwendig milieu registreert. – Die informatie wordt doorgestuurd naar het tweede onderdeel: het controlecentrum. – Van daar vertrekt de informatie naar het derde onderdeel: de effector. Homeostatische regelsystemen werken met negatieve terugkoppeling. Thema 1: Het begrip homeostase
15
2 2.1
Voorbeelden van homeostatische regelsystemen Thermoregulatie Onze lichaamstemperatuur bedraagt ongeveer 37 °C. Daarmee bedoelen we de kerntemperatuur die cen traal in het lichaam gemeten wordt. Ter hoogte van de huid of aan de ledematen kunnen andere temperaturen gemeten worden. Via de celademhaling produceren we voortdurend warmte. Daardoor zijn we, ondanks de variaties in de omgevingstemperatuur, in staat om die constante li chaamstemperatuur vrij constant te houden. Thermoregulatie is een homeostatisch regelsysteem dat ervoor zorgt dat de kerntemperatuur constant blijft. – De receptoren zijn de warmte- en koudereceptoren in de huid die de omgevingstemperatuur registreren. Ook de temperatuur van het doorstromende bloed kan door de hypothalamus geregistreerd worden. – Die informatie gaat naar het controlecentrum in de hypothalamus. – Vanuit dit centrum worden impulsen naar de effec toren gestuurd: de bloedvaten en de zweetklieren in de huid en de spieren. In geval van te hoge lichaams temperatuur zullen de bloedva ten in de huid verwijden om warmte af te voeren: je wordt rood. De zweetklieren produceren zweet dat door te verdampen voor afkoeling kan zorgen. De reactie van de ef fectoren zal de lichaamstemperatuur doen dalen. Als je het te koud hebt, zullen de bloedvaten in de huid vernauwen, waardoor je warmte in het lichaam houdt: je wordt bleek. De spieren gaan snel samentrekken en ontspannen: je gaat bibberen. Bij de kaakspieren brengt dit klap pertanden teweeg. Deze spierbewe gingen leveren warmte op. De werking van de effectoren zal de lichaamstemperatuur verhogen.
Fig. 1.7
Zweten om af te koelen
UITWENDIG MILIEU INWENDIG MILIEU
sensor (receptor) warmtereceptoren in de huid registreren warmte
controlecentrum hypothalamus
effectoren vallen stil effect = lichaamstemperatuur daalt
setpoint 37 °C
effector bloedvaten verwijden zweetklieren werken
Fig. 1.8
Thermoregulatie bij verhoogde lichaamstemperatuur UITWENDIG MILIEU INWENDIG MILIEU
sensor (receptor) koudereceptoren in de huid registreren koude
controlecentrum hypothalamus
effectoren vallen stil
Door negatieve terugkoppe ling zullen de effectoren geleidelijk stilvallen wanneer de lichaamstem peratuur genormaliseerd is rond 37 °C.
effect = lichaamstemperatuur stijgt
setpoint 37 °C
effector bloedvaten vernauwen spieren doen je bibberen
16
Fig. 1.9
Thermoregulatie bij verlaagde lichaamstemperatuur
Bij thermoregulatie zijn warmte- en koudereceptoren in de huid de sensoren. De hypothalamus vormt het controlesysteem. De bloedvaten en de spieren zijn de effectoren.
2.2
Regeling van de glucoseconcentratie in het bloed Glucose is de belangrijkste stof om energie te produceren in de cellen. Voor een normaal metabolisme is het noodzakelijk dat de lichaamscellen over een continue aanvoer van glucose kunnen beschikken. Daarom wordt de bloedsuikerspiegel (concentra tie aan glucose in het bloedplasma) constant gehouden binnen bepaalde grenzen (van 0,7 tot 1,1 g/l bloed). Een belangrijk orgaan dat tussenkomt bij de regeling van de bloedsuikerspiegel is de pan creas. Zoals je in de tweede graad leerde, is de pancreas een gemengde klier. – Enerzijds is het een exocriene klier omdat er een afvoerbuis is naar het uitwendig milieu. Een mengsel van spijsverteringsenzymen wordt langs daar afgevoerd naar de twaalfvinge rige darm. – Anderzijds komen er in de pancreas geïsoleerde kliercelgroepjes voor die geen afvoergang hebben. Het zijn de eilandjes van Langerhans. In zo’n eilandje komen twee soorten cellen voor: de β-cellen die in de meerderheid zijn en het hormoon insuline afscheiden en de α-cellen die het hormoon glucagon produceren. De pancreas is dus ook een en docriene klier of een hormoonklier. De geproduceerde hormonen komen in het bloed, het inwendig milieu, terecht. bloedvat
afvoerbuis voor gal
klierzakje met pancreassap afvoerbuis voor pancreassap haarvat
eilandje van Langerhans α-cel twaalfvingerige darm
β-cel
Fig. 1.10 Pancreas als exo- en endocriene klier
Homeostase zorgt ervoor dat de bloedsuikerspiegel ongeveer constant blijft. – De schommelingen in de bloedsuikerspiegel worden geregistreerd in receptoren in het hongercentrum van de hypothalamus en in de eilandjes van Langerhans in de pancreas. – Een controlecentrum in de hypothalamus geeft de informatie door aan de pancreas en de bijnier. – Daar bevinden zich groepjes van cellen die hormonen kunnen afscheiden. Deze cellen zijn de effectoren. Na een maaltijd stijgt de glucoseconcentratie in het bloedplasma. De β-cellen in de pancreas worden gestimuleerd om insuline af te geven. Insuline versnelt de opname van glucose door de lichaamscellen. Het bevordert ook de opslag van glucose onder de vorm van glycogeen in de lever en de spieren. De bloedsuikerspiegel zal dalen naar de normale waarden.
Thema 1: Het begrip homeostase
17
Om energie te produceren in de lichaams cellen wordt glucose verbruikt en dreigt de glucoseconcentratie in het bloed plasma te laag te worden. Daardoor zullen de α-cellen in de pan creas en cellen in het bijniermerg gestimu leerd worden. De α-cellen produceren het hormoon glu cagon. Cellen in het bijniermerg scheiden adrenaline af. Beide hormonen zorgen ervoor dat de reserve aan glycogeen in de lever wordt aangesproken. Glycogeen wordt afgebro ken tot afzonderlijke glucosemoleculen en weer vrijgegeven aan het bloed. Het te lage glucosegehalte van het bloed wordt op die manier weer op peil gebracht. Wanneer de normale waarden van de bloedsuikerspiegel bereikt zijn, zullen de effectoren door negatieve terugkop peling hun activiteit geleidelijk verminde ren.
UITWENDIG MILIEU INWENDIG MILIEU controlecentrum hypothalamus
sensor (receptor) receptoren in de hypothalamus en in de pancreas registreren hoge/lage suikerspiegel
bloedsuiker daalt/stijgt effect = opname/afgifte van glucose
effector pancreas en bijnieren: • geven insuline af (bij te hoge suikerspiegel) • geven glucagon af (bij te lage suikerspiegel)
Fig. 1.11 Regeling bloedsuikerspiegel
Bij de regeling van het glucosegehalte in het bloed vervullen het hongercentrum en de pancreas de functie van sensoren. De hypothalamus vormt het controlesysteem. De pancreas en de bijnieren zijn de effectoren.
2.3
Waterhuishouding De hoeveelheid water in ons lichaam is in een toestand van dynamisch evenwicht. – Er komt voortdurend water bij door te eten en te drinken en via celademhaling. – Er gaat voortdurend water weg door te urineren, te transpireren, te ademen en via de ontlasting. wateropname
waterafgifte
via de voeding
700 ml
via drinken
1 600 ml
afkomstig van het metabolisme totaal
200 ml 2 500 ml
via de nieren
1 500 ml
via zweet
100 ml
via de huid (diffusie)
350 ml
via de longen (ademhaling)
350 ml
via feces
200 ml totaal
2 500 ml
Water kan zich via het bloed vrij doorheen het lichaam verplaatsen. De beweging van water tussen de verschillende organen wordt gestuurd door de concentratie aan opgeloste stoffen in het bloedplasma. – Die hoeveelheid wordt gemeten door receptoren, namelijk osmoreceptoren in de hypotha lamus. – Deze osmoreceptoren geven informatie aan het dorstcentrum, het controlecentrum in de hypothalamus. – Het dorstcentrum kan de grote hersenen beïnvloeden zodat we bewust meer of minder zul len drinken. Bepaalde cellen in de hypothalamus – in dit geval de effectoren – maken het antidiuretisch hormoon ADH aan dat via de hypofyse aan het bloed wordt afgegeven.
18
Antidiuretisch betekent dat er minder urine gevormd zal worden. ADH heeft een werking ter hoogte van de nieren. Het verhoogt namelijk de permeabiliteit van het nierbuisje voor water, waardoor er meer water in het bloed wordt opgenomen. Het effect van meer of minder ADH kunnen we als volgt voorstellen: meer ADH
minder ADH
hoge permeabiliteit voor water in het nierbuisje
lage permeabiliteit voor water in het nierbuisje
meer wateropname door het bloed
minder wateropname door het bloed
minder water in de urine
meer water in de urine
geconcentreerde urine
verdunde urine
H2O
verzamelbuis
Fig. 1.12 Invloed van ADH op de verzamelbuis
Een tekort aan water kan het gevolg zijn van te weinig drinken of van verlies van water door te zweten of door diarree. Bij zo’n tekort aan water zal de concentratie aan opgeloste stoffen in het bloed toenemen. Je zult dorst krijgen en dus drinken. Er volgt ook afgifte van ADH en de nieren zullen minder water gaan uitscheiden. Op die manier zal het watertekort gecorrigeerd worden. Door veel te drinken kan er te veel water zijn en is de concentratie aan opgeloste stoffen in het bloed te laag. Je zult geen behoefte voelen om te drinken. Er wordt minder ADH aangemaakt waardoor de nierbuisjes minder permeabel wor den voor water. De nieren zullen meer water naar de urineblaas doorlaten zodat je meer zult urine ren. De concentratie aan opgeloste stoffen in het bloed zal opnieuw verhogen. Als de osmoreceptoren een normale concentra tie aan opgeloste stoffen registreren, zullen door negatieve terugkoppeling de effectoren ge leidelijk uitgezet worden. Sommige stoffen, zoals alcohol, remmen de aanmaak van ADH in de hypothalamus.
Fig. 1.13 Bij zweten moet je veel drinken.
Oplossing openingsvraag Als je veel bier drinkt, dan moet je vaak urineren. Dat komt door de alcohol in het bier. Alcohol remt namelijk de ADH-afgifte. Hoe minder ADH, hoe meer water van de nieren naar de urine blaas zal vloeien. Alcohol heeft daardoor een diuretisch (waterafdrijvend) effect en verhoogt dus de plasfrequentie. Het diuretisch effect van alcohol is zo sterk dat je meer zult uitwateren dan je opneemt. Dat verklaart het fenomeen van de nadorst die je het best kunt lessen door water of andere nietalcoholische dranken te drinken.
Thema 1: Het begrip homeostase
19
OPDRACHT 1 Vul het schema aan van het homeostatisch regelsysteem van de waterhuishouding bij een tekort aan water. Let op: er zijn meerdere effectoren en meerdere effecten. UITWENDIG MILIEU INWENDIG MILIEU
Bij de waterhuishouding vervullen de osmoreceptoren de functie van sensoren. Het dorstcentrum in de hypothalamus vormt het controlesysteem. Als effectoren fungeren de hersenen, de ADH-producerende cellen in de hypothalamus en de verzamelbuizen voor water in de nieren.
Opgaven 1
Vul het schema aan van het homeostatisch regelsysteem van de waterhuishouding bij een teveel aan water. UITWENDIG MILIEU INWENDIG MILIEU
20
2
De grafiek toont het bloedglucosepeil bij een diabeticus en bij een gezond persoon. Kun je het verschil in schom melingen verkla ren?
Diabetisch vs. optimaal bloedglucosepeil mg/dl
diabetisch optimaal
250 200 150 100 50
en 0:3 0 1:0 0 1:3 0 2:0 0 sla pe n
av o
nd et
0:3 0 1:0 0 1:3 0 2:0 0
lu nc h
0 1:3 0 2:0 0
0:3 0
1:0
on tb ijt
on tw ak en
0
3
Als je schrik hebt van de tandarts, dan gaat je hart sneller slaan in de wachtzaal. Waarom ga je dan ook zweten?
4
Oudere mensen worden vaak in het ziekenhuis opgenomen met uitdrogingsverschijnselen. Wat is hiervan de oorzaak? Ze hebben minder dorstgevoel omdat hun dorstgevoel niet meer goed werkt. Ze drinken vaak alcohol en dat werkt vochtafdrijvend. Ze drinken veel koffie en dat werkt vochtafdrijvend. PS: Koffie werkt niet vochtafdrijvend in tegenstelling tot wat vaak wordt beweerd.
5
Vul de tabel verder aan. thermoregulatie
glucosegehalte
waterhuishouding
receptoren in hongercentrum en pancreas
sensor
controlecentrum
hypothalamus
hypothalamus
dorstcentrum in hypothalamus
effector
6
Combineer het cijfer met de correcte letter. 1
α-cel
A
registreert koude of warmte
2
β-cel
B
produceert glucagon
3
receptor in de huid
C
registreert hogere concentratie aan opgeloste stoffen in het bloed
4
osmoreceptor
D
registreert lagere bloedsuikerspiegel
5
hongercentrum
E
produceert insuline
Thema 1: Het begrip homeostase
21
Samenvatting 1
Wat is …?
1.1
Uitwendig en inwendig milieu van organismen Het inwendig milieu wordt gevormd door de lichaamsvloeistoffen (bloed, weefselvocht en lymfe). Het uitwendig milieu wordt gekenmerkt door schommelingen in de fysische en chemische omstandigheden. Door homeostase ondervinden dieren daar geen nadelige invloed van.
1.2
Homeostase Homeostase is het vermogen van dieren om het inwendig milieu (de lichaamsvloeistoffen) stabiel te houden.
1.3
Coördinatie door het hormoonstelsel Hormonen worden gemaakt in endocriene klieren. Ze worden betrokken bij de instandhou ding van de homeostase.
1.4
Homeostatisch regelsysteem Elk homeostatisch regelsysteem bestaat uit drie afhankelijke onderdelen. – Het eerste onderdeel is de sensor (= receptor) die veranderingen in het inwendig milieu registreert. – Die informatie wordt doorgestuurd naar het tweede onderdeel: het controlecentrum. – Van daar vertrekt de informatie naar het derde onderdeel: de effector. Homeostatische regelsystemen werken met negatieve terugkoppeling.
2
Voorbeelden van homeostatische regelsystemen
2.1 Thermoregulatie Bij thermoregulatie zijn warmte- en koudereceptoren in de huid de sensoren. De hypothalamus vormt het controlesysteem. De bloedvaten en de spieren zijn de effectoren.
2.2 Regeling van de glucoseconcentratie in het bloed Bij de regeling van het glucosegehalte in het bloed vervullen het hongercentrum en de pancreas de functie van sensoren. De hypothalamus vormt het controlesysteem. De pancreas en de bijnieren zijn de effectoren.
2.3
Waterhuishouding Bij de waterhuishouding vervullen de osmoreceptoren de functie van sensoren. Het dorstcentrum in de hypothalamus vormt het controlesysteem. Als effectoren fungeren de hersenen, de ADH-producerende cellen in de hypothalamus en de verzamelbuizen voor water in de nieren.
22