Monet lukiot opettavat biologiaa, kemiaa ja fysiikkaa erillisinä luokkina. Erilliset luokat saattavat viitata siihen, että tutkittavat eivät ole yhteydessä toisiinsa, mutta tämä olisi epätarkka oletus. Integroidut luonnontieteluokat yhdistävät yhä enemmän biologian, kemian ja fysiikan aineita.
Tieteenalojen määrittely ja integrointi
Kuten Merriam-Webster ne määrittelee, biologia on elämän tutkiminen, tarkemmin sanottuna "tiedon haara, joka käsittelee eläviä organismeja ja elintärkeitä prosesseja"; kemia koostuu "tiede, joka käsittelee aineiden koostumusta, rakennetta ja ominaisuuksia sekä niiden läpi tapahtuvia muutoksia"; ja fysiikka tarkoittaa "tiedettä, joka käsittelee ainetta ja energiaa ja niiden vuorovaikutusta".
Biologian ja kemian integrointi
Kemian ja biologian suhde tarjoaa monia mahdollisia yhteyksiä ja luonnontieteellisiä kokeita biologian opiskelijoille. Koko elämä riippuu kemiallisista prosesseista. Fotosynteesin kemiallinen prosessi, joka käyttää auringon energiaa veden ja hiilidioksidin muuntamiseen glukoosiksi (sokeriksi), muodostaa perustan useimmille ruokaketjuille. Kuten fotosynteesi, kemosynteesi varastoi energiaa kemiallisten prosessien kautta ja tukee ruokaketjuja pitkin syvänmeren tuuletusaukkoja, mikä viittaa mahdollisuuksiin maapallon varhaisessa elämässä ja elämässä muilla planeetoilla ja kuut.
Bioluminesenssi tarkoittaa elävää valoa. Kemialliset prosessit eri organismeissa, kasveista sieniin eläimiin, mukaan lukien dinoflagellaatit, meduusat ja onkalat, luovat tämän elävän valon. Ruoansulatus ja soluhengitys riippuvat myös elävien organismien kemiallisista reaktioista. Öljyntuotannon kemian ymmärtäminen, joka perustuu levien hajoamiseen lämmön ja paineen alla, tarjoaa yhden ratkaisun globaaliin energiaan kriisi tekemällä öljyä levistä, mutta se voi mahdollisesti aiheuttaa uuden ympäristökriisin jatkamalla aiemmin uusiutumattomien fossiilien käyttöä polttoaineet.
Biologian ja fysiikan integrointi
Elävien organismien fysiikka tarjoaa myös mahdollisuuksia luonnontieteellisiin kokeisiin biologian opiskelijoille. Fysiikka sisältää mekaniikan, lämmön, valon, sähkön ja äänen tutkimukset. Elävien organismien käyttämän energian tutkiminen fotosynteesistä tai soluhengityksestä hämärtää biologian ja fysiikan välisen rajan. Bioluminesenssitutkimuksissa tutkitaan sekä organismien tuottamaa energiaa että valoa yhdistämällä fysiikka ja biologia. Hermoston sähkö, lepotilan tai estimaation laukaisevat mekanismit ja verkkokalvon ja tärykalvon herkkyys soveltaa fysiikan periaatteita eliöt.
Luita murtavien voimien tutkimukset tarjoavat oivalluksia biomekaanisiin malleihin niiden korjaamiseksi luut ennalta murtuneeseen lujuuteensa ja ehdottaa menetelmiä ympäristön tai geneettisten vikojen korjaamiseksi tai puutteet. Eri kehon nivelten mekaniikan ja rakenteellisten vaatimusten ymmärtäminen on jo antanut tarvittavat tiedot korvaavien polvi-, lonkka- ja olkanivelten suunnitteluun.
Biologian, kemian ja fysiikan integrointi
Elävät, kuolleet tai sukupuuttoon joutuneet organismit toimivat niiden yhdistettyjen biologisten, kemiallisten ja fyysisten elementtien vuoksi. Näiden tieteenalojen käsitykset antavat oivalluksia organismien evoluutio- ja rakenteellisiin ominaisuuksiin. Esimerkiksi puut seisovat, koska soluseinän soluseinät ja tyhjöihinsä varastoitu vesi tarjoavat rakenteellisen lujuuden pitää puun biomassa, mukaan lukien lehdet, jotka muuttavat vettä ja hiilidioksidia energiaksi polttoaineeksi kemialliset prosessit, joiden avulla solut voivat kasvaa ja lisääntyä muodostaen uusia soluja. Luiden rakenteellisen lujuuden ja aineenvaihdunnan kemiallisten prosessien ymmärtäminen auttaa tutkijoita ymmärtämään sukupuuttoon joutuneiden organismien, kuten dinosaurusten ja matelijoiden, biologian ja luomaan sen uudelleen. Maan sitoutuneiden biologisten järjestelmien fysiikan ja kemian tutkiminen viittaa mahdollisten elämänmuotojen olemassaoloon ja rakenteisiin maan ulkopuolella.
Biologia, kemia vai fysiikka?
Monet korkeakoulut tarjoavat nyt integroituja tiedeohjelmia erillisten biologian, kemian tai fysiikan opintojen sijaan. Nämä korkeakouluohjelmat tunnustavat tieteenalojen yhteenliitettävyyden. Nykyinen päiväkoti lukiolaisissa tiedestandardeissa keskittyy integroituun tieteeseen korostamalla yhä enemmän yhteenliitetystä tieteestä, tekniikasta, tekniikasta ja matematiikasta (STEM tai, taiteen lisäyksellä, STEAM) koulutus. Monet korkeakoulut, Princetonin integroidusta tiedekurssista Oregonin yliopiston kemian ja biokemian laitokseen Harvey Mudd Collegen biologian osasto tarjoaa nyt kursseja ja tutkintoja, jotka eivät rajoitu yhteen perinteiseen tieteelliseen kurinalaisuutta.