Handboek · hoofdstuk 29Het lichaam als systeem
Hoe longen, hart en bloed je in leven houden, en wat een bewoner van het station nodig heeft
Je lichaam is een systeem: er gaan lucht, water en voedsel in, er komen koolstofdioxide, waterdamp, afval en warmte uit, en daartussen werken organen samen om elke cel te voorzien. In dit hoofdstuk volg je de zuurstof van je neus tot in je spieren, meet je je hartslag in rust en na inspanning, reken je met de energie op een voedingsetiket, en ontdek je dat je lichaamstemperatuur net zo geregeld wordt als de meetkas. Aan het eind weet je wat één bewoner van het station elke dag nodig heeft om te overleven.
- Je kan het lichaam beschrijven als een systeem van organen met input, proces en output.
- Je kan de weg van de lucht beschrijven en de gaswisseling in de longblaasjes uitleggen met diffusie.
- Je kan de dubbele bloedsomloop uitleggen, de delen van het hart benoemen en slagaders, aders en haarvaten onderscheiden.
- Je kan je hartslag meten, de resultaten in een grafiek zetten en rust, inspanning en herstel vergelijken.
- Je kan de energie van voeding berekenen met een voedingsetiket, in kJ en kcal, en vergelijken met wat je verbruikt.
- Je kan de regeling van je lichaamstemperatuur beschrijven als een gesloten regelkring met sensoren, regelaar en actuatoren.
- Je kan berekenen hoeveel zuurstof, water en voedsel een mens per dag nodig heeft, en wat dat betekent voor een station.
Een half jaar in een blikken doos
Eind mei 2009 vertrok de Belgische astronaut Frank De Winne voor de tweede keer naar de ruimte, voor een verblijf van ongeveer een half jaar in het Internationaal Ruimtestation (ISS). Op 11 oktober 2009 werd hij er commandant, als eerste Europeaan ooit.
Zo'n half jaar is een lange proef op het menselijk lichaam. Buiten het station is geen lucht, geen water en geen voedsel: alles wat de bemanning nodig heeft, moet aan boord zijn of gemaakt worden. Het ISS maakt zuurstof door water met elektriciteit te splitsen, filtert de uitgeademde koolstofdioxide uit de lucht, en wint vandaag 98 % van zijn water terug, ook uit zweet en urine. Voedsel komt met vrachtschepen.
Het lichaam zelf verandert ook. Zonder zwaartekracht verliezen astronauten spiermassa, en als ze niet genoeg trainen tot 1 à 1,5 % van de botmassa in hun heupen en benen per maand. Daarom sporten ze elke dag ongeveer twee uur, op een loopband met elastieken en een fiets zonder zadel. Artsen op aarde volgen hun hartslag, bloeddruk en gewicht op de voet.
Een ruimtestation toont heel scherp wat een lichaam nodig heeft: zuurstof, water, energie en een veilige temperatuur, elke dag opnieuw. Ook de bewoners van Habitat hebben dat nodig. In dit hoofdstuk ontdek je hoe je lichaam die stoffen gebruikt, en aan het eind reken je uit hoeveel het station per bewoner moet voorzien.
Het lichaam als systeem
Je lichaam bestaat uit ongeveer 30 000 miljard cellen (hoofdstuk 26), en elke cel heeft hetzelfde nodig: glucose en zuurstof voor de celademhaling, die energie vrijmaakt, net als bij planten (hoofdstuk 27):
Die cellen liggen diep in je lichaam, ver van de lucht en het voedsel. Daarom werken je organen samen in orgaanstelsels, elk met een eigen taak:
| orgaanstelsel | taak | input of output |
|---|---|---|
| ademhalingsstelsel (longen) | zuurstof opnemen, koolstofdioxide afgeven | in: zuurstof; uit: CO2, waterdamp |
| spijsverteringsstelsel | voedsel afbreken tot kleine moleculen die in het bloed kunnen | in: voedsel en water; uit: onverteerde resten |
| bloedsomloop (hart en bloedvaten) | alles vervoeren tussen organen en cellen | (binnen) |
| uitscheiding (nieren, blaas) | afvalstoffen en overtollig water uit het bloed halen | uit: urine |
| huid | beschermen, temperatuur regelen | uit: warmte, zweet |
| zenuwstelsel en hormonen | meten, beslissen, sturen | (binnen) |
| spieren en skelet | bewegen, steunen | uit: arbeid en warmte |
Net als bij de meetkas en de plant (hoofdstuk 1 en 27) kan je het lichaam dus zien als een systeem met input, proces en output. Het bijzondere: het houdt zijn binnenkant bijna constant, wat er buiten ook gebeurt. Dat heet homeostase, en je ontdekt verder in dit hoofdstuk hoe dat werkt.
De ademhalingsorganen
Lucht gaat via de neus of de mond, de keelholte en de luchtpijp naar de longen. De luchtpijp splitst in twee bronchiën, die zich vertakken in steeds fijnere buisjes, de bronchiolen, tot ze eindigen in trosjes van piepkleine luchtzakjes: de longblaasjes. Een volwassene heeft er honderden miljoenen, met samen een oppervlakte van ongeveer 70 m² (schattingen lopen van 50 tot 100 m²): de vloer van een klaslokaal, opgevouwen in je borstkas.
- 1Neusholte
Verwarmt en bevochtigt de lucht; haartjes en slijm vangen stof en ziektekiemen op.
- 2Luchtpijp
Buis met ringen van kraakbeen, die ze openhouden. Trilhaartjes vegen slijm met stof naar boven.
- 3Bronchie
Eén voor elke long. Ze vertakken zich meer dan twintig keer, tot heel fijne bronchiolen.
- 4Long
Sponsachtig orgaan vol luchtwegen, longblaasjes en bloedvaten. De linkerlong is iets kleiner: er moet ook plaats zijn voor het hart.
- 5Longblaasjes
Trosjes luchtzakjes met een wand van één dunne cellaag, omgeven door haarvaten. Hier gaat zuurstof het bloed in en koolstofdioxide eruit.
- 6Middenrif
Koepelvormige spier onder de longen. Trekt hij samen, dan wordt hij platter, de borstkas groter en stroomt er lucht in. Ontspant hij, dan stroomt de lucht weer uit.
- 7Ribben en tussenribspieren
Ze tillen de ribben op bij diep inademen, zodat de borstkas nog groter wordt.
Gaswisseling: zuurstof erin, koolstofdioxide eruit
In een longblaasje zit verse lucht met veel zuurstof. In het haarvat eromheen stroomt bloed dat net van de cellen komt: met weinig zuurstof en veel koolstofdioxide. Tussen die twee zit een wand van samen minder dan een duizendste millimeter. Zuurstofdeeltjes bewegen, net als alle deeltjes, voortdurend kriskras (hoofdstuk 6). Waar er veel zijn, botsen er meer door de wand dan in de andere richting: zuurstof gaat van het longblaasje naar het bloed. Koolstofdioxide gaat de omgekeerde weg. Dat heet diffusie: stoffen verspreiden zich van een plaats met een hoge naar een plaats met een lage concentratie, zonder dat er iets moet pompen.
In het bloed pakken de rode bloedcellen de zuurstof op, gebonden aan de rode kleurstof hemoglobine. In de haarvaten van je spieren en organen gebeurt het omgekeerde: daar is weinig zuurstof (de cellen verbruiken ze) en veel koolstofdioxide, dus zuurstof diffundeert naar de cellen en koolstofdioxide naar het bloed.
| gas | ingeademde lucht | uitgeademde lucht |
|---|---|---|
| stikstof | 78 % | 78 % |
| zuurstof | 21 % | ± 16 % |
| koolstofdioxide | 0,04 % | ± 4 % |
| waterdamp | wisselend | veel (warm en vochtig) |
| temperatuur | die van de omgeving | ± 34 °C |
We ademen lucht in, die vooral uit stikstof bestaat, en we ademen lucht uit die nog altijd ongeveer 16 % zuurstof bevat. Van elke ingeademde liter houden we maar een klein deel van de zuurstof. Daarom werkt mond-op-mondbeademing: de lucht die de redder uitblaast, bevat nog genoeg zuurstof.
Je hersenen sturen je ademhaling vooral op het koolstofdioxidegehalte van je bloed. Tijdens inspanning maken je spieren meer CO2; het gehalte stijgt, en je ademt sneller en dieper. Dat is ook een regelkring, zoals de temperatuurregeling verder in dit hoofdstuk.
Hoeveel zuurstof verbruik je per dag?
In rust adem je ongeveer 12 keer per minuut, telkens een halve liter lucht. Van de ingeademde lucht neem je ongeveer 5 % (van de 21 %) als zuurstof op. Hoeveel liter en hoeveel gram zuurstof verbruik je op een dag in rust? Eén liter zuurstof weegt bij 20 °C 1,33 g.
- 12 ademhalingen per minuut
- per ademhaling
- 5 % van de lucht wordt opgenomen als zuurstof
- 1 L zuurstof = (20 °C)
- liter lucht per minuut en per dag
- liter en gram zuurstof per dag
- 1Lucht per minuut: .
- 2Een dag heeft minuten: lucht per dag.
- 3Zuurstof: 5 % daarvan, .
- 4Massa: , ongeveer 0,58 kg zuurstof.
- 5Wie overdag beweegt, ademt sneller en dieper. Over een actieve dag rekent men met ongeveer 0,84 kg zuurstof (dat is ): dat is de rekenwaarde voor een bewoner van Habitat.
Wat zit er in je uitgeademde lucht?
Bevat uitgeademde lucht meer koolstofdioxide dan de lucht in het lokaal?
- twee proefbuizen met elk 5 mL helder kalkwater
- een rietje
- een fietspompje of ballonpompje met een slangetje
- eventueel een CO₂-meter
- 1Kalkwater wordt troebel (melkachtig) als er koolstofdioxide in komt: er vormt zich onoplosbare kalk. Hoe meer CO₂, hoe sneller.
- 2Blaas met het rietje rustig uitgeademde lucht door de eerste proefbuis. Tel hoeveel keer je moet uitademen tot het kalkwater troebel is.
- 3Pomp met het pompje lokaallucht door de tweede proefbuis, telkens een halve liter per pompslag, evenveel keer als je bij de eerste proefbuis uitademde. Tel verder tot het troebel wordt.
- 4Met een CO₂-meter: meet de lokaallucht, en blaas dan één keer rustig uit vlak bij de sensor.
Het kalkwater met uitgeademde lucht wordt na twee à drie keer uitademen duidelijk melkachtig. Het kalkwater met lokaallucht blijft na hetzelfde aantal pompslagen helder, en wordt pas na tientallen slagen een beetje troebel. De CO₂-meter geeft in het lokaal bijvoorbeeld 600 à 800 ppm; na uitblazen schiet hij naar boven, tot buiten zijn meetbereik.
Uitgeademde lucht bevat ongeveer 4 % koolstofdioxide, lokaallucht maar 0,04 à 0,08 %: honderd keer minder. Die koolstofdioxide komt uit de celademhaling in al je cellen, wordt door het bloed naar de longen vervoerd en daar afgegeven. Dat de lokaallucht in een volle klas hoger is dan buiten (425 ppm), komt ook van jullie ademhaling: daarom moet een klas verlucht worden.
Het hart
Je hart is een holle spier, ongeveer zo groot als je vuist. Het bestaat uit twee pompen naast elkaar, gescheiden door een wand: de rechterhelft pompt bloed naar de longen, de linkerhelft naar de rest van het lichaam. Elke helft heeft een boezem (die bloed ontvangt) en een kamer (die het wegpompt). In schema's teken je het hart zoals je het van voren ziet: de rechterhelft staat dus links op de tekening. Blauw is zuurstofarm bloed, rood zuurstofrijk.
- 1Rechterboezem
Ontvangt het zuurstofarme bloed dat uit het lichaam terugkomt via de holle aders.
- 2Rechterkamer
Pompt dat bloed via de longslagader naar de longen, een korte weg: de wand is minder dik dan links.
- 3Linkerboezem
Ontvangt het zuurstofrijke bloed uit de longen via de longaders.
- 4Linkerkamer
Pompt het bloed via de aorta naar het hele lichaam, van hersenen tot tenen. Daarvoor heeft ze de dikste, sterkste spierwand.
- 5Hartkleppen
Ze laten het bloed maar in één richting door: van boezem naar kamer, en van kamer naar slagader. Het 'boem-tak' van je hart is het geluid van kleppen die dichtklappen.
- 6Holle aders
De twee grootste aders: ze brengen het bloed van het bovenlichaam en het onderlichaam terug naar het hart.
- 7Longslagader
Voert bloed van de rechterkamer naar de longen. Een slagader met zuurstofarm bloed!
- 8Longaders
Voeren het bloed uit de longen naar de linkerboezem. Aders met zuurstofrijk bloed.
- 9Aorta
De grootste slagader, zo dik als een tuinslang. Ze vertakt zich naar alle organen.
- 10Tussenschot
Stevige spierwand tussen de rechter- en de linkerhelft: zuurstofarm en zuurstofrijk bloed mengen niet.
De dubbele bloedsomloop
Volg een rode bloedcel. Van de linkerkamer gaat ze via de aorta en steeds kleinere slagaders naar, bijvoorbeeld, een beenspier. In de haarvaten van de spier geeft ze zuurstof af en neemt het bloed koolstofdioxide op. Via aders en de holle ader komt ze terug in de rechterboezem. Dat is de grote bloedsomloop. Dan pompt de rechterkamer haar naar de longen, waar ze nieuwe zuurstof opneemt, en komt ze via de longaders terug in de linkerboezem: de kleine bloedsomloop. Per rondgang passeert het bloed dus twee keer het hart: een dubbele bloedsomloop.
| bloedvat | richting | wand | voorbeeld |
|---|---|---|---|
| slagader | van het hart weg | dik en elastisch: hoge druk, je voelt er de pols | aorta, longslagader, halsslagader |
| ader | naar het hart toe | dunner, met kleppen die terugstromen verhinderen | holle aders, longaders, aders op je handrug |
| haarvat | verbindt slagaders en aders | één cellaag dik: hier gebeurt de uitwisseling | in longen, spieren, alle organen |
Een volwassene heeft ongeveer 5 liter bloed. In rust pompt het hart ongeveer 70 mL per slag, zo'n 70 keer per minuut: 5 liter per minuut. Al je bloed gaat dus ongeveer één keer per minuut rond. Bij zware inspanning kan dat vier à vijf keer sneller.
Slagaders worden genoemd naar de richting (van het hart weg), niet naar de zuurstof. De longslagader vervoert zuurstofarm bloed naar de longen; de longaders brengen zuurstofrijk bloed terug.
Zuurstofarm bloed is donkerrood, niet blauw. Aders lijken blauw doordat de huid en het weefsel erboven het licht verschillend doorlaten en terugkaatsen. Het blauw in schema's is een afspraak om zuurstofarm bloed aan te duiden.
Hoeveel werk doet je hart?
Een hart klopt in rust 70 keer per minuut en pompt 70 mL per slag. (a) Hoeveel liter bloed pompt het per minuut en per dag? (b) Hoeveel keer klopt het per dag, en in een leven van 80 jaar?
- 70 slagen per minuut
- per slag
- 1 dag = 1440 minuten; 1 jaar = 365,25 dagen
- (a) liter per minuut en per dag
- (b) slagen per dag en in 80 jaar
- 1(a) Per minuut: .
- 2Per dag: : ongeveer 7000 liter, zeventig volle badkuipen.
- 3(b) Per dag: slagen: ongeveer honderdduizend.
- 4In 80 jaar: : bijna drie miljard slagen, zonder pauze.
Hartslag in rust en na inspanning
Hoe verandert je hartslag door een korte inspanning, en hoe snel komt ze terug op het rustniveau?
- een klok of stopwatch met seconden
- een springtouw (of een trede om op en af te stappen)
- een tabel en millimeterpapier
- 1Zoek je pols: leg twee vingers (niet je duim, die heeft zelf een pols) aan de binnenkant van je pols, aan de kant van je duim, of opzij van je hals.
- 2Zit 3 minuten rustig. Tel je hartslag telkens 15 seconden lang en vermenigvuldig met 4. Doe dat drie keer.
- 3Spring één minuut stevig touwtje.
- 4Ga meteen zitten en meet je hartslag direct, en daarna elke minuut opnieuw (15 seconden tellen, × 4), tot 8 minuten na de inspanning.
- 5Zet alles in een grafiek: de tijd horizontaal, de hartslag verticaal.
Een leerling mat in rust 72, 74 en 71 slagen per minuut (gemiddeld 72). Na de minuut springen:
| minuten na het springen | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| hartslag (per minuut) | 146 | 118 | 100 | 88 | 82 | 79 | 76 | 74 | 73 |
Ook de ademhaling ging van 14 naar ongeveer 30 keer per minuut, en ze had het warm.
Tijdens het springen hebben de beenspieren veel meer energie nodig. Hun cellen verbruiken meer glucose en zuurstof en maken meer koolstofdioxide. Het hart klopt sneller (en krachtiger) om meer bloed te sturen, en de ademhaling versnelt om meer zuurstof op te nemen en meer CO2 af te geven. Na de inspanning daalt de hartslag eerst snel, dan steeds trager, naar het rustniveau. Wie getraind is, herstelt sneller. Dat je zo nauwkeurig 15 seconden telt en vermenigvuldigt, geeft wel een afrondingsfout: één slag te veel of te weinig is al 4 slagen per minuut.
Twee herstelcurven vergelijken
Lotte en Mats deden dezelfde inspanning. Lees de grafiek. (a) Wat is hun hartslag in rust en direct na de inspanning? (b) Hoe lang duurt het tot ze binnen 10 slagen van hun rustwaarde zitten? (c) Wie is het best getraind, en waaraan zie je dat?
- de herstelcurven van Lotte en Mats
- rust Lotte 62, rust Mats 78 slagen per minuut
- (a) rust en piek
- (b) hersteltijd
- (c) besluit
- 1(a) Lotte: rust 62, direct na de inspanning 138 slagen per minuut. Mats: rust 78, direct na de inspanning 158.
- 2(b) 'Binnen 10 slagen' betekent voor Lotte onder 72 en voor Mats onder 88. Lotte zit na 3 minuten op 72 en na 4 minuten op 67: na ongeveer 3 à 4 minuten. Mats zit na 6 minuten nog op 89 en na 7 minuten op 86: na ongeveer 6 à 7 minuten.
- 3(c) Lotte heeft een lagere rusthartslag, een lagere piek bij dezelfde inspanning en herstelt twee keer zo snel. Een getraind hart pompt meer bloed per slag, en hoeft dus minder vaak te slaan.
Energie uit voeding
Voedsel levert bouwstoffen en chemische energie (hoofdstuk 15). Die energie komt vrij bij de celademhaling en gebruik je om te leven: je hart laten kloppen, je hersenen laten werken, je spieren bewegen en je lichaam op 37 °C houden. Op een voedingsetiket staat de energie in kilojoule (kJ) en in kilocalorie (kcal), een oudere eenheid: .
| voedingsstof | waarvoor | energie per gram | zit veel in |
|---|---|---|---|
| koolhydraten (suikers, zetmeel) | snelle brandstof | 17 kJ (4 kcal) | brood, pasta, rijst, aardappelen, fruit |
| vetten | brandstof, reserve, isolatie | 37 kJ (9 kcal) | boter, olie, noten, kaas, chips |
| eiwitten | bouwstof (spieren, enzymen) | 17 kJ (4 kcal) | vlees, vis, eieren, peulvruchten, zuivel |
| vezels | goede darmwerking | 8 kJ (2 kcal) | volkoren, groenten, havermout |
| water, vitaminen, mineralen | nodig voor alle processen | 0 | groenten, fruit, drank |
De Europese regels leggen vast hoe fabrikanten de energie berekenen: 17 kJ per gram koolhydraten en eiwitten, 37 kJ per gram vet en 8 kJ per gram vezels. Vet levert dus meer dan dubbel zoveel energie per gram als suiker.
Hoeveel heb je nodig? Op etiketten staat de referentie-inname van een gemiddelde volwassene: 8400 kJ per dag. Tieners in de groei en mensen die veel bewegen hebben meer nodig, 10 à 12 MJ. Het grootste deel (ongeveer twee derde) gaat naar je basisverbruik: organen die werken, ook als je slaapt. Het andere deel hangt af van hoeveel je beweegt.
Uiteindelijk wordt bijna al die energie warmte. Wie 10 MJ per dag eet en even zwaar blijft, geeft gemiddeld af: een mens is een kachel van ongeveer 100 W (hoofdstuk 16).
Een voedingsetiket narekenen
Hieronder staat het etiket van havermout (typische waarden). (a) Controleer de energie per 100 g met de energiefactoren. (b) Hoeveel energie levert een portie van 50 g, en welk deel is dat van de referentie-inname? (c) Hoeveel procent van de energie komt uit vet?
- per 100 g: vetten 7,0 g, koolhydraten 59 g, vezels 10 g, eiwitten 13 g
- 17 kJ/g koolhydraten en eiwitten, 37 kJ/g vet, 8 kJ/g vezels
- referentie-inname 8400 kJ
- (a) energie per 100 g
- (b) energie per portie en % van de referentie-inname
- (c) aandeel van het vet
- 1(a) Koolhydraten ; eiwitten ; vetten ; vezels .
- 2Samen: per 100 g, precies wat op het etiket staat. In kcal: ; het etiket rekent met 4, 4, 9 en 2 kcal per gram en komt op 371 kcal.
- 3(b) 50 g is de helft: . Deel van de referentie-inname: .
- 4(c) Uit vet: van de energie.
Homeostase: de thermostaat in je lichaam
Of je nu in de sneeuw staat of in de zon ligt, de temperatuur binnenin je lichaam, de kerntemperatuur, blijft ongeveer 37 °C (tussen 36,5 en 37,5 °C). Je enzymen (hoofdstuk 34 van Intermediate) werken het best bij die temperatuur. Boven 40 °C of onder 35 °C wordt het gevaarlijk.
Dat constant houden gebeurt met een gesloten regelkring, net als het dakraam van de meetkas (hoofdstuk 25):
- Sensoren: zenuwcellen in je huid en in je hersenen meten de temperatuur.
- Regelaar: de hypothalamus, een klein deel van je hersenen, vergelijkt met de gewenste waarde van ongeveer 37 °C.
- Actuatoren bij te warm: zweetklieren (zweet verdampt en koelt, hoofdstuk 6) en bloedvaten in de huid die wijder worden: er gaat meer warm bloed naar de huid, die warmte afgeeft (je wordt rood).
- Actuatoren bij te koud: bloedvaten in de huid die nauwer worden (je wordt bleek, de warmte blijft binnen), rillen (spieren die snel samentrekken en warmte maken) en kippenvel.
- Gedrag: een trui aantrekken, de schaduw opzoeken. Ook dat is een actuator!
Het is negatieve terugkoppeling: wordt het te warm, dan zet de regelaar iets in gang dat afkoelt, en omgekeerd. Anders dan de aan/uit-thermostaat van hoofdstuk 25 stuurt je lichaam wel geleidelijk bij: een beetje warm geeft een beetje zweet, veel warmte veel zweet. Dezelfde soort regeling houdt ook je waterhuishouding (dorst en nieren), je ademhaling (op het CO2-gehalte) en je bloedsuiker constant.
Bij een infectie zet de hypothalamus de gewenste waarde hoger, bijvoorbeeld op 39 °C. Je lichaam is dan 'te koud' in vergelijking met die nieuwe waarde: je rilt en hebt het koud, terwijl je temperatuur stijgt. Zakt de gewenste waarde terug naar 37 °C, dan is je lichaam 'te warm': je zweet. In opdracht 29.15 lees je zo'n koortsgrafiek.
Hoeveel zweet je bij het lopen?
Tijdens een loopwedstrijd maakt je lichaam 400 W meer warmte dan in rust. Neem aan dat je al die extra warmte kwijtraakt door zweet te laten verdampen. Om 1 g zweet te verdampen op je huid is ongeveer 2,4 kJ nodig (iets meer dan de 2,26 kJ bij 100 °C uit hoofdstuk 6). Hoeveel zweet verdampt er per uur?
- extra warmte: per seconde
- per gram zweet
- gram zweet per seconde en per uur
- 1Per seconde: zweet.
- 2Per uur: , dus ongeveer 0,6 liter.
- 3In werkelijkheid druppelt een deel van het zweet af zonder te verdampen (dat koelt niet), en bij vochtig weer verdampt het slechter. Je zweet dan nog meer.
Wat heeft een mens nodig om te overleven?
Een bekende vuistregel, de regel van drie, zet de noden op een rij: zonder lucht hou je het ongeveer 3 minuten vol, zonder water ongeveer 3 dagen, zonder voedsel ongeveer 3 weken. Het zijn ordes van grootte, geen exacte grenzen (het hangt sterk af van de temperatuur, je gezondheid en wat je doet), maar ze tonen goed wat eerst moet: lucht, dan een veilige temperatuur, dan water, dan voedsel.
| wat | zonder hou je het ongeveer ... vol (vuistregel) | per dag nodig (rekenwaarde) |
|---|---|---|
| zuurstof (lucht met ± 21 %) | 3 minuten | 0,84 kg zuurstof |
| een veilige temperatuur (kern ± 37 °C) | enkele uren in ijskoud water of extreme hitte | kleding, verwarming, koeling |
| water | 3 dagen | 2 à 2,5 L, bij warmte of zwaar werk meer |
| voedsel | 3 weken (sterk verschillend) | ± 10 MJ (8 à 12 MJ) |
In een afgesloten ruimte komt er nog iets bij: de afvalstoffen moeten weg. Een mens ademt per dag ongeveer 1 kg koolstofdioxide uit. In een dichte kamer van 30 m³ stijgt het CO2-gehalte daardoor met ongeveer 760 ppm per uur. Vanaf ongeveer 1000 ppm voelt de lucht bedompt en daalt je concentratie; op het werk mag het gemiddeld hoogstens 5000 ppm zijn. Ook de waterdamp die je uitademt en uitzweet (1 à 3 kg per dag) moet weg, anders beslaat alles, zoals de wanden van de meetkas.
Een tekort aan zuurstof voel je nauwelijks aankomen: je wordt suf, je denkt trager en je oordeel wordt slechter, zonder dat je beseft wat er gebeurt. De bewoners van Biosphere 2 (hoofdstuk 28) werden maandenlang moe. Wat je wél voelt, is te veel CO2: dan wil je sneller ademen. Daarom meet een station altijd zowel de zuurstof als de koolstofdioxide.
Habitat: levensondersteuning voor één bewoner
Een bewoner van het station verbruikt per dag 0,84 kg zuurstof, 2,5 L drinkwater (om te drinken en om voedsel te bereiden) en ongeveer 1,3 kg voedsel, waarvan 0,6 kg droge stof en 0,7 kg water, met 10 MJ energie. Hij geeft ongeveer 1,0 kg koolstofdioxide, 1,5 L urine, 2,0 kg waterdamp en 0,15 kg ontlasting af. (a) Klopt de massabalans? (b) Hoeveel moet er voor 30 dagen voorzien worden? (c) Hoeveel nieuw water is nodig als het station 98 % van het water terugwint? (d) Hoeveel warmte geeft de bewoner af?
- in: 0,84 kg zuurstof, 2,5 L water, 1,3 kg voedsel (10 MJ)
- uit: 1,0 kg CO₂, 1,5 L urine, 2,0 kg waterdamp, 0,15 kg ontlasting
- 1 L water = 1 kg; waterterugwinning 98 %
- (a) massabalans
- (b) voorraad voor 30 dagen
- (c) nieuw water per dag en per maand
- (d) warmte in watt
- 1(a) In: . Uit: . Op afronding na gelijk: een volwassene die even zwaar blijft, geeft evenveel massa af als hij opneemt. Opvallend: de koolstof en de zuurstof van de koolstofdioxide komen uit het voedsel en de ingeademde zuurstof.
- 2(b) Voor 30 dagen: zuurstof ; water ; voedsel (waarvan droog).
- 3(c) Wordt 98 % van het water teruggewonnen (uit urine, zweet en adem), dan gaat 2 % verloren: per dag, per maand in plaats van 75 L.
- 4(d) . In het station (hoofdstuk 39 van Expert: 50 W per °C verschil met buiten) houdt één bewoner het binnen °C warmer.
Overzicht: ademhaling, bloedsomloop, voeding en regeling
De belangrijkste getallen, formules en afspraken van dit hoofdstuk.
| symbool | betekenis | eenheid |
|---|---|---|
| energie | kJ | |
| massa koolhydraten | g | |
| massa eiwitten | g | |
| massa vetten | g | |
| massa vezels | g |
| gas | ingeademde lucht | uitgeademde lucht |
|---|---|---|
| stikstof | 78 % | 78 % |
| zuurstof | 21 % | ± 16 % |
| koolstofdioxide | 0,04 % | ± 4 % |
| waterdamp | wisselend | veel (warm en vochtig) |
| temperatuur | die van de omgeving | ± 34 °C |
| bloedvat | richting | wand | voorbeeld |
|---|---|---|---|
| slagader | van het hart weg | dik en elastisch: hoge druk, je voelt er de pols | aorta, longslagader, halsslagader |
| ader | naar het hart toe | dunner, met kleppen die terugstromen verhinderen | holle aders, longaders, aders op je handrug |
| haarvat | verbindt slagaders en aders | één cellaag dik: hier gebeurt de uitwisseling | in longen, spieren, alle organen |
| grootheid (volwassene, rust) | typische waarde |
|---|---|
| ademhaling | 12 à 20 keer per minuut, ± 0,5 L per keer |
| hartslag | 60 à 100 slagen per minuut |
| pompvolume van het hart | ± 5 L per minuut |
| bloed | ± 5 L |
| kerntemperatuur | 36,5 à 37,5 °C |
| zuurstof per dag | ± 0,84 kg (actief) |
| koolstofdioxide per dag | ± 1,0 kg |
| energie uit voeding per dag | 8 à 12 MJ; referentie-inname 8400 kJ |
| warmte | ± 100 W gemiddeld |
Waar het lichaam terugkomt
In dit hoofdstuk kwamen veel leerlijnen samen. Gaswisseling is diffusie uit het deeltjesmodel, energie uit voeding is de leerlijn Energie, de hartslaggrafiek is Onderzoeken en meten, en de temperatuurregeling is dezelfde regelkring als in de leerlijn Regelen. In Intermediate zie je de chemie achter de celademhaling (enzymen, ATP) en regelsystemen met hysterese; in Expert wordt het lichaam een regelsysteem met bloedsuikerregeling en biomedische sensoren.
Diffusie: zo gaan zuurstof en koolstofdioxide door de wand van de longblaasjes; verdampen van zweet koelt.
Chemische energie in voedsel, en het rendement van je spieren (20 à 25 %).
Een mens geeft ongeveer 100 W warmte af: een kachel voor het station.
Meten, beslissen, doen: de regelkring van het dakraam en die van je lichaamstemperatuur.
Dezelfde celademhaling als in planten, maar zonder fotosynthese.
De mens als consument; Biosphere 2 en zuurstof voor één bewoner.
Een bewoner ademt ongeveer 1 kg CO₂ per dag uit: een bron voor de planten van de kweekruimte.
Regelkringen met hysterese, met de lichaamstemperatuur als voorbeeld uit de natuur.
Waarom 37 °C: enzymen en hun optimum; ATP als energiedrager.
Partiële druk: zuurstof en koolstofdioxide in de lucht die je inademt.
Homeostase en negatieve terugkoppeling in detail; hartslag, ECG en zuurstofsaturatie meten.
In het kort
- Het lichaam is een systeem van organen: longen, darmen, bloedsomloop, nieren en huid zorgen samen dat elke cel glucose en zuurstof krijgt en haar afval kwijtraakt.
- Lucht gaat via luchtpijp en bronchiën naar de longblaasjes; daar diffundeert zuurstof naar het bloed en koolstofdioxide naar de lucht. Uitgeademde lucht bevat nog ±16 % zuurstof en ±4 % CO₂.
- Het hart heeft twee helften met elk een boezem en een kamer. De dubbele bloedsomloop: een kleine kring langs de longen, een grote langs het lichaam.
- Slagaders gaan van het hart weg, aders naar het hart toe, haarvaten verbinden ze; daar gebeurt de uitwisseling.
- Hartslag meet je door 15 s te tellen en × 4. Na inspanning daalt ze eerst snel en dan trager; wie getraind is, herstelt sneller.
- Energie van voeding: 17 kJ per gram koolhydraten en eiwitten, 37 kJ per gram vet, 8 kJ per gram vezels; 1 kcal = 4,184 kJ; een mens heeft 8 à 12 MJ per dag nodig en geeft ±100 W warmte af.
- Homeostase: je kerntemperatuur (±37 °C) wordt geregeld door een gesloten regelkring met sensoren, de hypothalamus als regelaar en zweten, bloedvaten en rillen als actuatoren.
- Eén bewoner heeft per dag ±0,84 kg zuurstof, ±2,5 L drinkwater en ±10 MJ voedsel nodig, en geeft ±1 kg CO₂, ±2 kg waterdamp en ±116 W warmte af.
Wat je nu kent
- ademhaling
- Het in- en uitademen van lucht (longademhaling); in elke cel gebeurt de celademhaling, waarbij zuurstof verbruikt wordt.
- gaswisseling
- Het uitwisselen van zuurstof en koolstofdioxide tussen de lucht in de longblaasjes en het bloed, door diffusie.
- longblaasje
- Piepklein luchtzakje aan het einde van de fijnste luchtwegen, omgeven door haarvaten; daar gebeurt de gaswisseling.
- middenrif
- Koepelvormige spier onder de longen; als hij samentrekt en afplat, stroomt er lucht in de longen.
- dubbele bloedsomloop
- Het bloed passeert per rondgang twee keer het hart: een kleine kring langs de longen en een grote kring langs het lichaam.
- slagader
- Bloedvat dat bloed van het hart wegvoert, met een dikke, elastische wand.
- ader
- Bloedvat dat bloed naar het hart terugvoert, met kleppen die het terugstromen verhinderen.
- haarvat
- Heel dun bloedvat met een wand van één cellaag, waar stoffen uitgewisseld worden.
- hartslag
- Het aantal keer dat het hart per minuut samentrekt; je voelt het als de pols.
- kilojoule (kJ)
- Eenheid van energie, 1000 J, gebruikt op voedingsetiketten; 1 kcal = 4,184 kJ.
- homeostase
- Het constant houden van de toestand in het lichaam (temperatuur, water, suiker, zuurstof) door regelkringen met terugkoppeling.
- hypothalamus
- Deel van de hersenen dat onder andere als 'thermostaat' van het lichaam werkt.
- levensondersteuning
- Alle systemen die mensen in een afgesloten ruimte (station, ruimteschip) zuurstof, water, voedsel en een veilige temperatuur geven, en afval verwerken.