Samenhang in de biologie

Dit overzicht behandelt belangrijke onderwerpen uit de biologie vanuit verschillende organisatieniveaus (molecuul, cel, orgaan, organisme, populatie, ecosysteem, biosfeer). Zo leer je de samenhang kennen tussen verschillende biologiesche begrippen en processen. Hoewel het geen volledig overzicht is van de examenstof, helpt dit thema je wel om verbanden te leggen die bij het examen van pas kunnen komen.

Snel navigeren door HOOFDSTUK 7 van HAVO 5

Paragrafen

1.
2.
3.
4.
5.
6.
Begrippen
Oefenen

Leerdoelen










Paragraaf 1:

  • J
 

Alle levende organismen bestaan uit cellen, die continu energie nodig hebben om te functioneren en te blijven bestaan. Energie wordt constant verbruikt, bijvoorbeeld voor het opbouwen van moleculen, het transport van stoffen door het celmembraan en voor celdeling. Omdat energie niet kan worden gerecycled, is er een constante toevoer van energie nodig.

Organisatieniveaus in de biologie

In de biologie bestudeer je organismen en biologische processen op verschillende organisatieniveaus. Dit thema laat afbeeldingen zien die op verschillende organisatieniveaus betrekking hebben, van moleculen tot ecosystemen. Elk proces en organisme in de afbeeldingen hoort bij een specifiek biologisch organisatieniveau.

Fotosynthese als basis van energie

De zon is de belangrijkste bron van vrijwel alle energie op aarde. Door middel van fotosynthese kunnen autotrofe organismen, zoals maisplanten, de energie uit zonlicht vastleggen in chemische energie. Fotosynthese vindt plaats in speciale organellen in planten, de zogenaamde bladgroenkorrels. In deze bladgroenkorrels bevindt zich het pigment bladgroen, dat verantwoordelijk is voor het opvangen en gebruiken van lichtenergie.

Tijdens fotosynthese gebruikt het bladgroen het opgenomen zonlicht om uit koolstofdioxide (CO₂) en water het energierijke molecuul glucose te maken. Dit proces wordt koolstofassimilatie genoemd. De opgenomen lichtenergie van de zon wordt omgezet en opgeslagen als chemische energie in de chemische bindingen tussen de atomen van glucosemoleculen. Dankzij deze omzetting kunnen planten groeien en andere organismen van energie voorzien.

Samenvatting belangrijke begrippen:

  • Levende cellen hebben altijd nieuwe input van energie nodig, omdat energie continu wordt verbruikt en niet kan worden gerecycled.
  • Fotosynthese is het proces waarbij autotrofe organismen (zoals maisplanten) zonlicht opnemen en omzetten in chemische energie in de vorm van glucose.
  • Tijdens fotosynthese absorbeert het pigment bladgroen in bladgroenkorrels van planten de lichtenergie van de zon en gebruikt deze om uit koolstofdioxide en water glucose te vormen (koolstofassimilatie). 

Paragraaf 2:

  • J

Energie stelt organismen in staat om te groeien, zich te ontwikkelen, voort te planten, te bewegen, te reageren op prikkels en om alle activiteiten uit te voeren die nodig zijn om te overleven. Organismen verkrijgen energie uit voedsel.

Autotroof en heterotroof

Organismen kun je onderscheiden in autotrofe en heterotrofe organismen. Autotrofe organismen, zoals maisplanten, kunnen met behulp van lichtenergie organische stoffen maken uit anorganische stoffen zoals koolstofdioxide en water. Ze hebben daarvoor dus geen andere organismen als voedsel nodig. De meeste planten behoren tot autotrofe organismen. Ze kunnen dankzij fotosynthese zelf voedsel maken.

Heterotrofe organismen, zoals bacteriën, schimmels, dieren en ook mensen, kunnen zelf géén organische stoffen maken. Zij hebben andere organismen als voedsel nodig om te (over)leven. Bijvoorbeeld kippen zijn heterotroof en eten maiskorrels. Mensen zijn ook heterotroof, zij kunnen onder andere mais en kip eten.

Vertering en energiegebruik

Voedsel moet eerst worden verteerd voordat een heterotroof organisme het kan opnemen en gebruiken als energiebron. Tijdens de vertering worden grote moleculen in het voedsel afgebroken tot kleinere moleculen die het lichaam kan opnemen. Hierbij wordt chemische energie uit het voedsel beschikbaar voor het organisme.

In het verteringsstelsel van heterotrofe organismen is veel energie nodig, bijvoorbeeld voor peristaltische bewegingen van de darmwand (de spieren die het voedsel voortbewegen), voor de productie van verteringssappen, en voor actief transport van voedingsstoffen door celmembranen. Actief transport vereist transporteiwitten en ATP (energie), in tegenstelling tot passief transport zoals diffusie, dat géén extra energie vereist. Na vertering worden voedingsstoffen zoals glucose via actief transport in het bloed opgenomen.

Voedsel levert heterotrofe organismen uiteindelijk de energie om hun levensprocessen uit te voeren.  

Paragraaf 3:

  • J

Evolutie leidt niet altijd tot het ontstaan van intelligentere organismen. De meeste organismen zijn relatief simpel gebleven, mede doordat het onderhouden van complexe organen zoals hersenen enorm veel energie kost.

Genexpressie en energieopslag

Mensen slaan energie in hun lichaam op specifieke plaatsen op in de vorm van vet. Dit vet dient als energievoorraad, maar ook om organen te beschermen en het lichaam te isoleren tegen kou. Andere primaten doen dit eveneens. Echter, mensen slaan relatief meer vet op: mensen met een gezond lichaamsgewicht hebben tussen de 14% en 31% lichaamsvet, terwijl andere primaten gemiddeld slechts 9% lichaamsvet hebben.

Bruin en wit vetweefsel

Hoewel mensen en andere primaten voor 99% dezelfde DNA-sequentie bezitten, verschilt hun energieopslag. Bij mensen wordt vet opgeslagen in twee typen vetweefsel: witte vetcellen en bruine vetcellen.

  • In witte vetcellen wordt vet opgeslagen als energievoorraad. Dit maakt mensen dikker. Deze cellen bevatten weinig mitochondriën.
  • Bruine vetcellen bevatten juist veel mitochondriën, wat zorgt voor de bruine kleur. Deze vetcellen verbranden vetten en glucose in de mitochondriën, waardoor warmte wordt geproduceerd. Dankzij dit bruin vetweefsel kunnen warmbloedige organismen hun lichaamstemperatuur reguleren.

Genexpressie en energieopslag

Mensen en chimpansees stammen af van een gemeenschappelijke voorouder, ongeveer zes miljoen jaar geleden. Sindsdien hebben chimpansees nauwelijks veranderingen ondergaan in hun hersenen, terwijl menselijke hersenen ongeveer drie keer zo groot zijn geworden en aanzienlijk meer zenuwcellen bevatten. Zenuwcellen gebruiken relatief veel energie. Gedurende de evolutie zijn menselijke hersenen daarom steeds meer energie gaan verbruiken. Om de hersenen van voldoende energie te voorzien, is het evolutionair voordelig gebleken dat mensen grotere energievoorraden kunnen aanleggen.

Evolutionair voordeel van vetopslag

Binnen een populatie met genetische variatie (verschillen in de hoeveelheid wit en bruin vetweefsel) hadden mensen met relatief veel wit vetweefsel een voordeel in perioden van voedselschaarste (een verandering in het milieu). Zij hadden immers voldoende energievoorraad om de hersenen te voorzien van voldoende energie. Door natuurlijke selectie hadden zij een grotere kans om te overleven, waardoor een relatief hoog percentage lichaamsvet bij mensen algemeen is geworden. 

Paragraaf 4:

  • J

In elke schakel van een voedselketen wordt energie uit biomassa doorgegeven naar het volgende trofische niveau. Biomassa is het totale gewicht aan organisch materiaal in organismen. Een deel van deze biomassa-energie wordt opgenomen en vastgelegd in het weefsel van organismen. Dit deel van de energie is beschikbaar voor het volgende niveau in de voedselketen.

Energieverlies in voedselketens

Niet alle energie uit biomassa wordt doorgegeven naar de volgende schakel. Een groot deel van de energie gaat verloren door:

  • dissimilatie (verbranding) voor processen zoals beweging en lichaamsonderhoud.
  • uitscheiding van afvalstoffen via ontlasting en urine.
  • afbraak door organismen zoals bacteriën en schimmels na de dood van een organisme.

Door al deze processen bevat elk volgend trofisch niveau minder energie dan het niveau ervoor. Gemiddeld gaat per schakel ongeveer 90% van de energie verloren, slechts ongeveer 10% wordt effectief doorgegeven. Dit betekent dat van de oorspronkelijk aanwezige energie (100%) steeds minder overblijft: per schakel blijft ongeveer 10% behouden (100% → 10% → 1% → 0,1%).

Gevolgen voor voedselketens

Door het verlies van energie per schakel zijn voedselketens meestal relatief kort, meestal niet langer dan drie tot vijf schakels. Op hogere trofische niveaus bevinden zich daarom meestal ook minder organismen. Uiteindelijk blijft in het laatste niveau slechts weinig energie over, waardoor verdere uitbreiding van de voedselketen meestal onmogelijk is. 

Paragraaf 5:

  • J

De aarde ontvangt voortdurend energie in de vorm van zonnestraling en verliest tegelijkertijd energie door het uitstralen van warmte naar de ruimte. Dit noemen we de energiebalans van de aarde. Mensen beïnvloeden deze balans door activiteiten zoals voedselproductie en energiegebruik, wat leidt tot veranderingen in het klimaat.

Voedselproductie en energiebalans

De groeiende wereldbevolking leidt tot een toenemende vraag naar voedsel. Om hieraan te voldoen, is steeds meer landbouwgrond nodig. Bij landbouw gaat het vaak om de productie van plantaardig voedsel, maar ook steeds meer om de productie van dierlijk voedsel. De productie van voedsel beïnvloedt sterk de energiebalans, want niet alle voedingsmiddelen zijn even energie-efficiënt:

  • Plantaardige diëten zijn relatief energie-efficiënt. Als mensen rechtstreeks plantaardig voedsel zoals mais eten, wordt ongeveer 10% van de energie uit dit voedsel opgenomen in het menselijk lichaam.
  • Bij het eten van dierlijk voedsel, bijvoorbeeld kip, is er veel meer energieverlies. Slechts ongeveer 1% van de oorspronkelijke energie uit de planten wordt effectief opgenomen door mensen. Dit komt doordat er twee keer energieverlies optreedt: eerst bij de omzetting van mais naar kippenvlees en vervolgens bij het verteren van kippenvlees door mensen.

Effecten van voedselproductie op het milieu

Door de toenemende vraag naar dierlijk voedsel is er meer landbouwgrond nodig voor de productie van veevoer zoals mais. Hierdoor verdwijnen bossen door ontbossing, waardoor er minder fotosynthese plaatsvindt. Als gevolg daarvan wordt er minder koolstofdioxide (CO₂) uit de atmosfeer gehaald. Hierdoor stijgt de concentratie koolstofdioxide in de atmosfeer.

Daarnaast stijgt door landbouwactiviteiten ook de concentratie van het broeikasgas methaan (CH₄) in de atmosfeer, vooral door activiteiten zoals veehouderij en rijstteelt.

Versterkt broeikaseffect

De aarde straalt warmte uit naar het heelal, maar bepaalde gassen in de atmosfeer houden een deel van deze warmte vast. Dit natuurlijke verschijnsel heet het broeikaseffect. Zonder deze natuurlijke gassen zou de aarde ruim 30 °C kouder zijn. Door menselijke activiteiten, zoals de uitstoot van extra broeikasgassen (zoals koolstofdioxide, CO₂, en methaan, CH₄), wordt dit effect versterkt. Dit noemen we het versterkte broeikaseffect.

Door het versterkte broeikaseffect verandert de energiebalans van de aarde, omdat er minder warmte naar de ruimte ontsnapt. Hierdoor stijgt de temperatuur op aarde. Deze stijging veroorzaakt smelten van poolijs en gletsjers, stijging van de zeespiegel en klimaatveranderingen met verregaande gevolgen voor ecosystemen en menselijke samenlevingen.