Biofysica: de natuurkunde van het leven
Paragraaf 1: Biofysica:
• Biofysica is een wetenschappelijk vakgebied met allerlei praktische toepassingen. In dit hoofdstuk onderzoeken
waar biofysica zich mee bezig houdt, de onderzoektechnieken die daar gebruikt worden en de toepassingen
waartoe biofysisch onderzoek leidt
• Natuurkunde gaat over onderwerpen zoals beweging, krachten en elektriciteit. Bij deze onderwerpen denk je als
snel aan technische toepassingen, zoals voertuigen en machines
o Maar deze bewegingen, krachten en elektriciteit komen ook in planten, dieren en mensen tegen. Denk
aan de manier waarop je eigen lichaam functioneert:
▪ Je botten werken als hefbomen, je spieren oefenen krachten uit, je zenuwen vervoeren
elektrische signalen, enzovoort
• Als je op een natuurkundige manier naar de levende natuurkunde kijk, kom je uit bij de
biofysica: de natuurkunde van het leven
• Biofysici zijn natuurkundigen die het leven bestuderen, ze gebruiken natuurkundige kennis en natuurkundige
technieken om erachter te komen hoe biologische systemen werken
o Biofysici onderzoeken dus dezelfde verschijnselen als biologen, maar doen ze dat met theorieën,
formules en meettechnieken uit de natuurkunde
▪ De onderwerpen waarmee biologen en biofysici zich bezighouden, zijn gelijk, alleen hun
gereedschapskist verschilt
Van groot naar klein:
• Een biologisch systeem kan alles zijn: een heel organisme, een orgaan, een cel, een organel of zelfs een molecuul
o Dat zie je aan de voorbeelden van biofysisch onderzoek in dit hoofdstuk wordt beschreven. Daarbij is
gekozen voor een volgorde van groot naar klein
▪ Het hoofdstuk begint met de manier waarop mensen lopen en eindigt met de eigenschappen van
één DNA- of RNA-molecuul
Hoe mensen lopen
• In paragraaf 2 wordt uitgelegd hoe biofysici het lopen van mensen analyseert. De onderzoekers gebruiken hun
kennis over bewegingen, krachten en momenten om erachter te komen wat er nodig is voor lopen
o De resultaten van dit onderzoek worden onder andere gebruikt om robots als mensen te leren lopen en
om protheses te maken die als een echt been functioneren
Hoe het evenwichtsorgaan werkt
• Hoewel je lichaam bij lopen nooit in evenwicht is, is het kunnen bewaren van je evenwicht natuurlijk wel
belangrijk. Paragraaf 3 gaat over de werking van het evenwichtsorgaan
o De zinstuigcellen in dit orgaan reageren op bewegings- en houdingsverandering door gun elektrische
spanning te veranderen
▪ Biofysici gebruiken hun kennis van elektrische meettechnieken om die spanningsveranderingen
nauwkeurig in kaart te brengen
Hoe een bacterie zwemt
• Bacteriën kunnen niet lopen, maar wel zwemmen. In paragraaf 4 staat de motor centraal die de zweepstaarten
van E. colibacteriën aandrijft
o Deze zweepstaartmotoren zijn onvoorstelbaar klein. Toch zin biofysici erin geslaagd om de prestaties van
deze motoren betrouwbaar te meten: het toerental, het moment, het vermogen en het rendement
▪ Dit zijn de grootheden die ook voor ‘’gewone’’ motoren van belang zijn
, Hoe je DNA- en RNA-moleculen kunt manipuleren
• Paragraaf 5 gaat in op een nieuwe techniek om DNA- en RNA-moleculen te onderzoeken. Biofysici hebben een
techniek ontwikkeld om een gaatje in een kunstmatig membraan te maken en daar DNA en RNA-moleculen
doorheen te trekken
o Op die manier kunnen de eigenschappen van de moleculen snel en relatief goedkoop gemeten worden
Samenwerking met andere wetenschapsgebieden:
• Van sommige van de vier genoemde onderwerpen zul je je misschien afvragen waarom dat onderzoek eigenlijk
gedaan wordt. Maar bedenk dat ‘’nuttige’’ ontdekking en toepassingen van wetenschappelijke kennis pas tot
ontwikkeling kwamen nadat eerst een tijdlang fundamenteel onderzoek was gedaan
o Dankzij onderzoek dat op het eerste gezicht ‘’nutteloos’’ leek, is ons leven een stuk aangenamer
geworden
▪ Toepassingen van theoretisch onderzoek ontstaan soms door samenwerking tussen mensen uit
verschillende vakgebieden
• Biofysici werken vaak samen met wetenschappers uit aangrenzende vakgebieden. Enkele
van die gebieden zijn:
o Biomedische wetenschappen
o Bewegingswetenschappen
o Moleculaire biologie
o Orthopedie
o Robotica
o Nanotechnologie
▪ In al deze vakgebieden wordt regelmatig gebruik gemaakt van wat
natuurkundige en biofysici ontdekt hebben
Paragraaf 2: Een model voor lopen:
• Deze paragraaf gaat over de manier waarop biofysici het loopgedrag van een mens analyseren. Dit is een
voorbeeld van een onderzoek waarin een heel organisme, de mens, centraal staat
o Bij het lopen zijn alle delen van het lichaam actief betrokken, van de voeten die steeds op de juiste plaats
neergezet moeten worden, tot het hoofd dat waarneemt, beslist en stuurt
De loopcyclus:
• Als je aan het wandelen bent, herhaal je steeds dezelfde loopcyclus. Deze cyclus bestaat uit vier perioden:
o Periode 1: Been A zwaait naar voren, terwijl been B blijft staan
o Periode 2: Been A landt op de grond, terwijl been B zich afzet
o Periode 3: Been B zwaait naar voren, terwijl been A blijft staan
o Periode 4: Been B landt op de grond, terwijl been A zich afzet
• Zoals je ziet, doet been B hetzelfde als been A, alleen steeds een halve cyclus later (of eerder, net hoe je het
bekijkt)
o Je zegt daarom dat er een faseverschil van 0,5 tussen de beide benen bestaat. Kenmerkend voor lopen is
verder dat er de hele tijd minstens één voet op de grond staat
▪ Dat is een belangrijk verschil met hardlopen, waarbij je een deel van de tijd met beide voeten los
bent van de grond
• Belangrijke eigenschappen van de loopcyclus zijn de stapfrequentie (het aantal stappen per tijdseenheid)
• De staplengte (de afstand die tijdens elke stap wordt afgelegd)
• En de stapbreedte (de afstand tussen de plaats waar de linker- en de plaats waar de rechtervoet wordt neergezet,
loodrecht op de bewegingsrichting gemeten)
