Wie man Biologie mit Chemie und Physik integriert

Viele Gymnasien unterrichten Biologie, Chemie und Physik als separate Klassen. Getrennte Klassen können darauf hindeuten, dass die Themen nicht miteinander verwandt sind, aber dies wäre eine ungenaue Annahme. Integrierter naturwissenschaftlicher Unterricht, der zunehmend die Fächer Biologie, Chemie und Physik verbindet.

Wie Merriam-Webster sie definiert, ist Biologie das Studium des Lebens, genauer gesagt "ein Wissenszweig, der sich mit lebenden Organismen und lebenswichtigen Prozessen befasst"; Chemie besteht aus „einer Wissenschaft, die sich mit der Zusammensetzung, Struktur und Eigenschaften von Stoffen und deren Umwandlungen beschäftigt“; und Physik bedeutet "eine Wissenschaft, die sich mit Materie und Energie und ihren Wechselwirkungen beschäftigt."

Die Beziehung zwischen Chemie und Biologie bietet viele mögliche Verbindungen und naturwissenschaftliche Experimente für Studenten der Biologie. Alles Leben hängt von chemischen Prozessen ab. Der chemische Prozess der Photosynthese, bei dem mithilfe der Sonnenenergie Wasser und Kohlendioxid in Glukose (Zucker) umgewandelt werden, bildet die Grundlage der meisten Nahrungsketten. Wie die Photosynthese speichert die Chemosynthese Energie durch chemische Prozesse und unterstützt die Nahrungsketten entlang von Tiefseeschloten, was Möglichkeiten für das früheste Leben der Erde und das Leben auf anderen Planeten andeutet und Monde.

Biolumineszenz bedeutet lebendiges Licht. Chemische Prozesse in einer Vielzahl von Organismen, von Pflanzen über Pilze bis hin zu Tieren, darunter Dinoflagellaten, Quallen und Seeteufel, erzeugen dieses lebendige Licht. Verdauung und Zellatmung hängen auch von chemischen Reaktionen innerhalb lebender Organismen ab. Das Verständnis der Chemie der Ölförderung, basierend auf der Zersetzung von Algen unter Hitze und Druck, bietet eine Lösung für die globale Energie Krise durch die Herstellung von Erdöl aus Algen, aber es führt möglicherweise zu einer weiteren Umweltkrise durch die fortgesetzte Verwendung von zuvor nicht erneuerbaren Fossilien Kraftstoffe.

Auch für Biologiestudenten bietet die Physik lebender Organismen Möglichkeiten für naturwissenschaftliche Experimente. Physik umfasst das Studium der Mechanik, Wärme, Licht, Elektrizität und Schall. Studien über den Energieverbrauch lebender Organismen, sei es durch Photosynthese oder Zellatmung, verwischen die Grenze zwischen Biologie und Physik. Studien zur Biolumineszenz untersuchen sowohl die Energie als auch das Licht, das von Organismen erzeugt wird, und kombinieren dabei Physik und Biologie. Die Elektrizität des Nervensystems, die Mechanismen, die den Winterschlaf oder die Estivation auslösen, und die Empfindlichkeit der Netzhaut und des Trommelfells Anwendung der Prinzipien der Physik auf die Mechanismen von Organismen.

Studien zu den Kräften, die Knochen brechen, geben Einblicke in biomechanische Designs, um diese zu reparieren Knochen zu ihrer vorgebrochenen Stärke und schlägt Methoden zur Korrektur von Umwelt- oder genetischen Defekten vor oder Mängel. Das Verständnis der Mechanik und strukturellen Anforderungen verschiedener Körpergelenke hat bereits die notwendigen Informationen zur Konstruktion von Knie-, Hüft- und Schultergelenken geliefert.

Lebewesen, ob lebend, tot oder ausgestorben, funktionieren aufgrund ihrer kombinierten biologischen, chemischen und physikalischen Elemente. Erkenntnisse aus diesen Disziplinen geben Einblicke in die evolutionären und strukturellen Eigenschaften von Organismen. Bäume stehen zum Beispiel, weil die Zellulose in ihren Zellwänden und das in ihren Vakuolen gespeicherte Wasser die strukturelle Stärke bieten, um die Baumstruktur aufrechtzuerhalten Biomasse, einschließlich der Blätter, die Wasser und Kohlendioxid in Energie umwandeln, um die chemischen Prozesse anzutreiben, die es den Zellen ermöglichen, zu wachsen und sich zu vermehren, um neue zu bilden Zellen. Das Verständnis der strukturellen Stärke von Knochen und der chemischen Prozesse des Stoffwechsels hilft Wissenschaftlern, die Biologie ausgestorbener Organismen wie Dinosaurier und Meeresreptilien zu verstehen und neu zu erschaffen. Das Studium der Physik und Chemie erdgebundener biologischer Systeme legt die Existenz und Strukturen potenzieller Lebensformen unter außerirdischen Bedingungen nahe.

Viele Hochschulen bieten heute integrierte naturwissenschaftliche Studiengänge statt isolierter Studiengänge in Biologie, Chemie oder Physik an. Diese College-Programme erkennen die Interkonnektivität wissenschaftlicher Disziplinen an. Die aktuellen naturwissenschaftlichen Standards vom Kindergarten bis zum Gymnasium konzentrieren sich auf integrierte Naturwissenschaften, mit zunehmender Betonung zu vernetzten Naturwissenschaften, Technik, Ingenieurwissenschaften und Mathematik (MINT oder mit Zusatz von Kunst, DAMPF) Bildung. Viele Colleges, von Princetons Integrated Science Curriculum über das Department of Chemistry and Biochemistry der University of Oregon bis hin zum Die Biologieabteilung des Harvey Mudd College bietet jetzt Kurse und Abschlüsse an, die sich nicht auf einen einzigen traditionellen wissenschaftlichen Bereich beschränken Disziplin.