Elementair 6.4 - inhoudstafel en thema 1 - proef 4

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