Samenvattingen

Samenvatting paragraaf 1

Biofysica is een wetenschappelijk vakgebied met allerlei praktische toepassingen.

Natuurkunde gaat over dingen zoals beweging, krachten en elektriciteit. Bij deze dingen denk je niet zo gauw aan levende wezens, maar je komt ze er wel bij tegen. Bijvoorbeeld over hoe je lichaam functioneert. Als je op een natuurkundige manier naar het leven en de natuur kijkt dan kom je uit bij biofysica: de natuurkunde van het leven.

Biofysici zijn mensen die zich bezighouden met het leven op een natuurkundige manier. Ze houden zich dus bezig met hetzelfde vlak als biologen, alleen kijken ze er op een andere manier naar.

Eerst wordt er in dit hoofdstuk gekeken naar hoe mensen lopen. Wat hebben we nodig om stabiel te lopen, wat voor bewegingen maken we en wat voor krachten oefenen we uit. De resultaten kunnen gebruikt worden om bijvoorbeeld robots te kunnen maken.

Daarna kijken we naar het evenwichtsorgaan. Het bewaren van je evenwicht is natuurlijk cruciaal.

We gebruiken de kennis ervan om spanningsveranderingen nauwkeurig in kaart te brengen.

Vervolgens kijken we naar bacteriën en hoe die zich kunnen voortbewegen. We kijken o.a. naar de E. colibacteriën. Die bewegen zich voort met hun zweepstaartjes die onvoorstelbaar klein zijn.

We meten dan het toerental, het moment, het vermogen en het rendement. Die grootheden heb je ook nodig voor ‘gewone’ motoren.

Als laatste kijken we naar hoe we DNA- en RNA-moleculen kunnen manipuleren. Daardoor kunnen we de eigenschappen van de moleculen snel en relatief goedkoop gemeten worden.

Door vele onderzoeken die nutteloos leken is ons leven veel aangenamer geworden.

Toepassingen van onderzoeken ontstaan vaak door coöperatie door mensen uit verschillende vakgebieden.

 

Samenvatting paragraaf 2

Deze paragraaf gaat over de manier waarop biofysici het loopgedrag van een mens analyseren.

Bij het lopen zijn alle delen van het lichaam actief betrokken.

De loopcyclus gaat als volgt:

• been A zwaait naar voren, been B blijft staan
• been A landt op de grond, been B zet zich af

Daarna heb je het precies andersom en dan begint de volgende loopcyclus weer opnieuw.

Been B doet hetzelfde als been A alleen een halve cyclus later/eerder. Het faseverschil is dus 0,5.

Belangrijke eigenschappen van de loopcyclus zijn:

• stapfrequentie
• staplengte
• stapbreedte

Je benen hebben net zoals een slinger een natuurlijke frequentie. Hoe langer een slinger, des te kleiner is zijn natuurlijke frequentie. Het kost meer energie als je de slinger met een grotere of kleinere frequentie dan de natuurlijke wilt laten bewegen. Het gaat dus om het frequentieverschil.

Bij het lopen wordt er constant zwaarte-energie omgezet in kinetische energie en andersom. Als het zwaartepunt als het ware omhoog beweegt dan wordt er kinetische energie omgezet en zwaarte-energie. Het is precies andersom voor de vorming van kinetische energie uit zwaarte-energie.

Voor deze veranderingen is er wel energie nodig van de spieren.

Met het getal van Froude kun je bewegingen van mensen en dieren onder verschillende omstandigheden vergelijken. Dat getal kun je berekenen op deze manier:

Fr = v2 / g x l

v = snelheid in m s-1

g = de valversnelling in m s-2

l = beenlengte in m

 

Fr = 0,5 of lager is stappen. Fr = 0,5 tot 2,5 is draven en vanaf Fr = 2,5 is bewegen op een minder regelmatige manier.

 

Samenvatting paragraaf 3

Evenwicht is heel belangrijk: niet alleen in de biologie, maar ook in de natuurkunde. Biofysici hebben onderzocht hoe het evenwichtsorgaan van gewervelde dieren in elkaar zit en werkt.

Het evenwicht van iets heeft te maken met hoe stabiel een voorwerp is. De stabiliteit van een voorwerp hangt van een aantal factoren af: De afmetingen van het steunvlak; de plaats van het zwaartepunt en de zwaartekracht op het voorwerp.                                                                                              

Een stabiel voorwerp heeft over het algemeen een groot steunvlak, een zwaartepunt dat in het centrum van het steunvlak ligt en het zwaartepunt zit laag aan de grond. De zwaartekracht op het voorwerp is vaak hoog. Tijdens het lopen is je lichaam eigenlijk nooit in evenwicht: je bent constant aan het vallen. Door kleine corrigerende spierbewegingen aangestuurd door je zenuwstelsel blijf je echter wel overeind staan. Hierbij speelt het evenwichtsorgaan een cruciale rol.

Het evenwichtsorgaan heeft meerdere onderdelen: het bestaat uit twee helften met ieder drie halfcirkelvormige kanalen en twee statolietorganen. De kanalen detecteren of het hoofd een rotatie uitvoert rond de x-, y- of de z-as. De statolietorganen meten in welke richting de zwaartekracht werkt. Al deze informatie wordt naar je hersenen gestuurd, waarna je hersenen er voor zorgen dat je spieren de corrigerende samentrekkingen toepassen.

In de statolietorganen zit een mechanisme waarmee krachten kunnen worden waargenomen. Haarbundels van haarcellen zitten in een laag gel. Als de gel beweegt, bewegen de haarbundels mee: de haarcel zet dit om in een elektrisch signaal. Statolieten zijn een soort van steentjes met een hoge dichtheid die onder invloed van o.a. zwaartekracht bewegen, doordat de steentjes bewegen, verschuift je gel ook. Als de haarbundels een bepaalde richting op bewegen, depolariseren de haarcellen. Wanneer een haarcel depolariseert, neemt de frequentie toe waarin actiepotentialen naar de hersenen worden gestuurd. Als haarbundels precies de andere richting op bewegen, hyperpolariseren de haarcellen juist en neemt de frequentie van de actiepotentialen juist af.

 

Samenvatting paragraaf 4

Een motor is een machine die chemische of elektrische energie gebruikt om een beweging in gang te zetten en deze beweging dan ook te behouden. Bij een motor denk je al vaak aan een automotor, maar levende wezens bevatten ook wel degelijk motoren.

In deze paragraaf gaat het veel over de E. Coli (Escherichia coli) bacteriën. Deze zijn namelijk handig voor onderzoek omdat ze makkelijk te kweken zijn.
E. Coli bacteriën kunnen zich op eigen kracht door een vloeistof verplaatsen. Dit komt door zweepstaarten die op verschillende plaatsen uit de cel steken. De lengte van zo’n staart is 5 – 10 µm, waarbij zijn lengte ongeveer 2 µm is. Doordat deze zweepstaarten draaien, stuwen ze als het ware zichzelf een bepaalde kant op. Hoe de bacteriën bewegen is mede afhankelijk van welke kant de zweepstaarten naar toe draaien: bij het tegen de klok in draaien zal de bacterie zich richting een kant voorstuwen. De zweepstaarten vormen dan als het ware een grote scheepsschroef (200 omwentelingen per seconde). Als de zweepstaarten met de klok mee draaien, zal de bacterie gaan tuimelen: het draait rondjes op zijn plaats. De bacterie kan een snelheid bereiken van zo’n 50 µm per seconde (25x zijn lichaamslengte!).

Een motor draait, net zoals bij een elektromotor, door een wisselwerking tussen de stator en rotor. De zweepstaartmotor heeft elektrische energie nodig, waar de bacterie zelf voor zorgt door positief geladen ionen uit de cel te laten. Zo ontstaat er een ladingsverschil (bacterie relatief negatief geladen en vloeistof eromheen positief). Daardoor ‘stromen’ H+ ionen de cel in. Deze ionen bewegen langs de rotor, waardoor de zweepstaartmotor in beweging wordt gebracht.

Een bacterie beweegt zich voort met het principe ‘biased random walking’ (een willekeurige verplaatsing met voorkeur). Zoals je weet, tuimelt een bacterie eerst om vervolgens een richting op te gaan. Dit gebeurt elke paar seconden weer opnieuw. De bacterie beweegt dus veel verschillende kanten op, maar heeft wel vaak één voorkeurskant waar hij zich langzaam naar toe beweegt (vaak de kant met de hoogste concentratie voedingsstoffen). Dit is iets anders dan een echte ‘random walk’, waarbij er helemaal geen voorkeurskant aanwezig is. Om dit te verduidelijken: zie practicum 1 (biased random walk).

 

Samenvatting paragraaf 5

Het menselijk lichaam bestaat ongeveer uit 10 tot de macht 14 cellen. Al deze cellen hebben een celmembraan (dik vlies aan buitenkant) en het cytoplasma (inhoud cel). Het celmembraan is opgebouwd uit 2 lagen vetmoleculen, waarbij de hydrofiele koppen (houden van water) naar buiten zijn gericht en hydrofobe staarten (bang voor water) naar binnen wijzen. Deze lagen zitten zo dicht tegen elkaar, dat alleen hele kleine moleculen zich er doorheen kunnen bewegen bij stofwisseling. Om transport toch mogelijk te maken, zijn er zogenaamde transporteiwitten. Deze transporteiwitten zijn poriën en pompen (soort buisjes in het celmembraan).

Poriën zijn er voor diffusie (passief transport): transport dat geen extra energie kost, omdat de deeltjes altijd van een hoge naar een lage concentratie deeltjes gaan. Pompen zijn er voor actief transport: transport dat wel extra energie kost, omdat de deeltjes van lage naar hoge concentratie deeltjes gaan. Dit is tegen de natuurlijke situatie in, vandaar dat het extra energie kost. Voor moleculen is dus alleen het concentratieverschil belangrijk, terwijl bij ionen het elektrisch ladingverschil ook van belang is (zie vorige paragraaf). Deze elektrische ladingverschillen laten ionen door poriën bewegen, net zoals passief transport. Onderzoekers hebben een techniek ontwikkeld om de diffusie van ionen te onderzoeken door middel van de patch-clamp-techniek. Hierbij wordt door een pipet één porie in een pipet omhoog gezogen. Door een elektrode kunnen ze de ionenstroom bij een porie meten.

Door deze techniek kunnen onderzoekers de situatie bij een porie in het membraan goed weergeven: zie afbeelding hiernaast. In de afbeeldingen zie je een stuk DNA wat door een porie beweegt en de ionenstroom bij de verschillende situaties. De ionenstroom neemt af als het stukje DNA zich door het membraan beweegt, wat logisch is omdat er minder ionen op dat moment door de porie kunnen omdat er simpelweg minder ruimte is. Op deze manier kunnen onderzoekers eigenschappen van andere stoffen meten, zoals bijvoorbeeld grootte.

Biofysici kunnen een DNA molecuul vastpakken door het vast te maken aan een microkraal, een heel klein bolletje van kunststof dat je kan vastpakken en verplaatsen. De microkraal wordt verplaatst met een optisch pincet, een gereedschap dat een intense en sterk gefocuste lichtbundel produceert. Hiermee kun je voorwerpen die doorzichtig zijn manipuleren. De kracht op het voorwerp is evenredig met de afstand tot het brandpunt. De formule die hier bij hoort is F=C*x. Hierbij is F de kracht in Newton (N), C een constante en x de verplaatsing.