كيفية دمج علم الأحياء مع الكيمياء والفيزياء

تقوم العديد من المدارس الثانوية بتدريس علم الأحياء والكيمياء والفيزياء كفصول منفصلة. قد تشير الفصول المنفصلة إلى أن الموضوعات ليست ذات صلة ، لكن هذا سيكون افتراضًا غير دقيق. فصول علوم متكاملة تربط بشكل متزايد مواضيع الأحياء والكيمياء والفيزياء.

كما تعرفهم ميريام ويبستر ، فإن علم الأحياء هو دراسة الحياة ، وبشكل أكثر تحديدًا "فرع المعرفة الذي يتعامل مع الكائنات الحية والعمليات الحيوية" ؛ تتكون الكيمياء من "علم يتعامل مع تكوين وبنية وخصائص المواد والتحولات التي تخضع لها" ؛ والفيزياء تعني "العلم الذي يتعامل مع المادة والطاقة وتفاعلاتهما."

توفر العلاقة بين الكيمياء والبيولوجيا العديد من الروابط الممكنة والتجارب العلمية لطلاب الجامعات في علم الأحياء. تعتمد الحياة كلها على العمليات الكيميائية. تشكل العملية الكيميائية لعملية التمثيل الضوئي ، التي تستخدم طاقة الشمس لتحويل الماء وثاني أكسيد الكربون إلى جلوكوز (سكر) ، أساس معظم السلاسل الغذائية. مثل البناء الضوئي ، يخزن التركيب الكيميائي الطاقة من خلال العمليات الكيميائية ويدعم سلاسل الغذاء على طول فتحات أعماق البحار ، مما يشير إلى احتمالات الحياة والحياة المبكرة للأرض على الكواكب الأخرى و أقمار.

اللمعان البيولوجي يعني الضوء الحي. تخلق العمليات الكيميائية في مجموعة متنوعة من الكائنات ، بدءًا من النباتات إلى الفطريات إلى الحيوانات ، بما في ذلك دينوفلاجيلات وقنديل البحر وأسماك الصياد ، هذا الضوء الحي. يعتمد الهضم والتنفس الخلوي أيضًا على التفاعلات الكيميائية داخل الكائنات الحية. يقدم فهم كيمياء إنتاج الزيت ، بناءً على تحلل الطحالب تحت الحرارة والضغط ، حلاً واحدًا للطاقة العالمية أزمة عن طريق إنتاج البترول من الطحالب ، لكنها من المحتمل أن تخلق أزمة بيئية أخرى من خلال الاستخدام المستمر للحفريات التي لم تكن قابلة للتجديد سابقًا الوقود.

توفر فيزياء الكائنات الحية أيضًا فرصًا لإجراء تجارب علمية لطلاب الجامعات في علم الأحياء. تشمل الفيزياء دراسات الميكانيكا والحرارة والضوء والكهرباء والصوت. دراسات الطاقة التي تستخدمها الكائنات الحية ، سواء من التمثيل الضوئي أو التنفس الخلوي ، تطمس الخط الفاصل بين علم الأحياء والفيزياء. تفحص دراسات التلألؤ الحيوي كلاً من الطاقة والضوء الذي تولده الكائنات الحية ، وتجمع بين الفيزياء والبيولوجيا. كهرباء الجهاز العصبي ، والآليات التي تؤدي إلى السبات أو الاستيقاظ ، و حساسية الشبكية وطبلة الأذن تطبق مبادئ الفيزياء على آليات الكائنات الحية.

توفر الدراسات حول القوى التي تكسر العظام نظرة ثاقبة للتصاميم الميكانيكية الحيوية لإصلاحها العظام إلى قوتها المكسورة مسبقًا وتقترح طرقًا لتصحيح العيوب البيئية أو الجينية أو أوجه القصور. لقد وفر فهم الآليات والمتطلبات الهيكلية لمفاصل الجسم المختلفة بالفعل المعلومات اللازمة لتصميم مفاصل الركبة والورك والكتف البديلة.

الكائنات الحية ، سواء كانت حية أو ميتة أو منقرضة ، تعمل بسبب عناصرها البيولوجية والكيميائية والفيزيائية مجتمعة. توفر الفهم من هذه التخصصات نظرة ثاقبة للخصائص التطورية والهيكلية للكائنات الحية. على سبيل المثال ، تقف الأشجار لأن السليلوز في جدرانها الخلوية والمياه المخزنة في فجواتها توفر القوة الهيكلية لتحمل الشجرة. الكتلة الحيوية ، بما في ذلك الأوراق التي تحول الماء وثاني أكسيد الكربون إلى طاقة لتغذية العمليات الكيميائية التي تسمح للخلايا بالنمو والتكاثر لتكوين جديد الخلايا. يساعد فهم القوة الهيكلية للعظام والعمليات الكيميائية لعملية التمثيل الغذائي العلماء على فهم وإعادة تكوين بيولوجيا الكائنات الحية المنقرضة مثل الديناصورات والزواحف البحرية. تشير دراسة فيزياء وكيمياء الأنظمة البيولوجية المرتبطة بالأرض إلى وجود وهياكل لأشكال الحياة المحتملة في ظل ظروف خارج الأرض.

تقدم العديد من الكليات الآن برامج علمية متكاملة بدلاً من الدراسات المنعزلة في علم الأحياء أو الكيمياء أو الفيزياء. تدرك برامج الكلية هذه الترابط بين التخصصات العلمية. تركز رياض الأطفال الحالية من خلال معايير العلوم بالمدرسة الثانوية على العلوم المتكاملة ، مع زيادة التركيز في العلوم المترابطة والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات (STEM أو ، مع إضافة الفن ، STEAM) التعليم. العديد من الكليات ، بدءًا من منهج برينستون للعلوم المتكامل إلى قسم الكيمياء والكيمياء الحيوية بجامعة أوريغون إلى يقدم قسم الأحياء في Harvey Mudd College الآن دورات ودرجات لا تقتصر على علمي تقليدي واحد انضباط.