Sådan integreres biologi med kemi og fysik

Mange gymnasier underviser i biologi, kemi og fysik som separate klasser. Separate klasser kan antyde, at emnerne ikke er relateret, men dette ville være en unøjagtig antagelse. Integrerede videnskabskurser, der i stigende grad forbinder emnerne biologi, kemi og fysik.

Som Merriam-Webster definerer dem, er biologi studiet af livet, mere specifikt "en gren af ​​viden, der beskæftiger sig med levende organismer og vitale processer"; kemi består af "en videnskab, der beskæftiger sig med sammensætning, struktur og egenskaber af stoffer og med de transformationer, de gennemgår"; og fysik betyder "en videnskab, der beskæftiger sig med stof og energi og deres interaktioner."

Forholdet mellem kemi og biologi tilbyder mange mulige forbindelser og videnskabelige eksperimenter for universitetsstuderende i biologi. Alt liv afhænger af kemiske processer. Den kemiske proces med fotosyntese, der bruger solens energi til at omdanne vand og kuldioxid til glukose (sukker), danner basen for de fleste fødekæder. Ligesom fotosyntese lagrer kemosyntese energi gennem kemiske processer og understøtter fødekæderne langs dybhavsåbninger, hvilket antyder muligheder for Jordens tidligste liv og liv på andre planeter og måner.

Bioluminescens betyder levende lys. Kemiske processer i en række organismer, der spænder fra planter til svampe til dyr, inklusive dinoflagellater, vandmænd og lystfiskere, skaber dette levende lys. Fordøjelse og cellulær respiration afhænger også af kemiske reaktioner i levende organismer. Forståelse af kemien i olieproduktion, baseret på nedbrydning af alger under varme og tryk, tilbyder en løsning på den globale energi ved at fremstille olie fra alger, men det skaber potentielt en ny miljøkrise ved fortsat brug af tidligere ikke-fornyeligt fossil brændstoffer.

Levende organismeres fysik giver også muligheder for videnskabelige eksperimenter for universitetsstuderende i biologi. Fysik inkluderer studier af mekanik, varme, lys, elektricitet og lyd. Undersøgelser af energien brugt af levende organismer, hvad enten det er fra fotosyntese eller cellulær respiration, slører grænsen mellem biologi og fysik. Undersøgelser af bioluminescens undersøger både energi og lys genereret af organismer, der kombinerer fysik og biologi. Nervesystemets elektricitet, de mekanismer, der udløser dvale eller estivation, og følsomheden af ​​nethinden og trommehinden anvender fysikens principper på mekanismerne i organismer.

Undersøgelser af de kræfter, der knækker knogler, giver indsigt i biomekaniske designs til reparation af de samme knogler til deres forbrudte styrke og foreslår metoder til at korrigere miljømæssige eller genetiske defekter eller mangler. At forstå mekanikken og de strukturelle krav til forskellige kropsledd har allerede givet de nødvendige oplysninger til design af udskiftning af knæ-, hofte- og skulderled.

Organismer, hvad enten de er levende, døde eller uddøde, fungerer på grund af deres kombinerede biologiske, kemiske og fysiske elementer. Forståelser fra disse discipliner giver indsigt i organismernes evolutionære og strukturelle egenskaber. For eksempel står træer, fordi cellulosen i deres cellevægge og vandet, der er opbevaret i deres vakuoler, giver den strukturelle styrke til at holde træets biomasse, herunder bladene, der omdanner vand og kuldioxid til energi til brændstof for de kemiske processer, der tillader celler at vokse og reproducere for at danne nye celler. At forstå knoglernes strukturelle styrke og de kemiske metaboliske processer hjælper forskere med at forstå og genskabe biologien hos uddøde organismer som dinosaurer og marine krybdyr. At studere fysik og kemi af jordbundne biologiske systemer antyder eksistensen og strukturer af potentielle livsformer under udenjordiske forhold.

Mange colleges tilbyder nu integrerede videnskabsprogrammer snarere end isolerede studier i biologi, kemi eller fysik. Disse universitetsprogrammer anerkender sammenkoblingen af ​​videnskabelige discipliner. Den nuværende børnehave gennem high school videnskabelige standarder fokuserer på integreret videnskab med stigende vægt om sammenkoblet videnskab, teknologi, teknik og matematik (STEM eller med tillæg af kunst STEAM) uddannelse. Mange colleges, lige fra Princetons Integrated Science Curriculum til University of Oregon's Department of Chemistry and Biochemistry til Biologiafdelingen ved Harvey Mudd College tilbyder nu kurser og grader, der ikke begrænser sig til en enkelt traditionel videnskabelig disciplin.