Come integrare la biologia con la chimica e la fisica

Molte scuole superiori insegnano biologia, chimica e fisica in classi separate. Classi separate possono suggerire che i soggetti non sono correlati, ma questo sarebbe un presupposto impreciso. Corsi di scienze integrati che collegano sempre più le materie di biologia, chimica e fisica.

Come li definisce Merriam-Webster, la biologia è lo studio della vita, più specificamente "una branca del sapere che si occupa degli organismi viventi e dei processi vitali"; la chimica consiste in "una scienza che si occupa della composizione, della struttura e delle proprietà delle sostanze e delle trasformazioni che esse subiscono"; e fisica significa "una scienza che si occupa di materia ed energia e delle loro interazioni".

La relazione tra chimica e biologia offre molte possibili connessioni ed esperimenti scientifici per studenti universitari in biologia. Tutta la vita dipende da processi chimici. Il processo chimico della fotosintesi, che utilizza l'energia del sole per convertire l'acqua e l'anidride carbonica in glucosio (zucchero), costituisce la base della maggior parte delle catene alimentari. Come la fotosintesi, la chemiosintesi immagazzina energia attraverso processi chimici e sostiene le catene alimentari lungo le prese d'aria del mare profondo, suggerendo possibilità per la prima vita della Terra e la vita su altri pianeti e lune.

Bioluminescenza significa luce viva. I processi chimici in una varietà di organismi, che vanno dalle piante ai funghi agli animali, inclusi dinoflagellati, meduse e rane pescatrici, creano questa luce vivente. La digestione e la respirazione cellulare dipendono anche dalle reazioni chimiche all'interno degli organismi viventi. Comprendere la chimica della produzione di petrolio, basata sulla decomposizione delle alghe sotto il calore e la pressione, offre una soluzione all'energia globale crisi producendo petrolio dalle alghe, ma potenzialmente crea un'altra crisi ambientale attraverso l'uso continuato di fossili precedentemente non rinnovabili combustibili.

La fisica degli organismi viventi offre anche opportunità per esperimenti scientifici per studenti universitari di biologia. La fisica comprende gli studi di meccanica, calore, luce, elettricità e suono. Gli studi sull'energia utilizzata dagli organismi viventi, dalla fotosintesi o dalla respirazione cellulare, offuscano il confine tra biologia e fisica. Gli studi sulla bioluminescenza esaminano sia l'energia che la luce generate dagli organismi, combinando fisica e biologia. L'elettricità del sistema nervoso, i meccanismi che innescano il letargo o l'estivazione, e la sensibilità della retina e del timpano applicano i principi della fisica ai meccanismi di organismi.

Gli studi sulle forze che rompono le ossa forniscono approfondimenti sui progetti biomeccanici per la riparazione di quelle stesse ossa alla loro forza pre-rotta e suggerisce metodi per correggere difetti ambientali o genetici o carenze. La comprensione dei requisiti meccanici e strutturali delle varie articolazioni del corpo ha già fornito le informazioni necessarie per progettare le articolazioni di ginocchio, anca e spalla sostitutive.

Gli organismi, vivi, morti o estinti, funzionano grazie alla loro combinazione di elementi biologici, chimici e fisici. Le conoscenze di queste discipline forniscono approfondimenti sulle caratteristiche evolutive e strutturali degli organismi. Ad esempio, gli alberi stanno in piedi perché la cellulosa nelle loro pareti cellulari e l'acqua immagazzinata nei loro vacuoli forniscono la forza strutturale per sostenere la struttura dell'albero. biomassa, comprese le foglie che convertono l'acqua e l'anidride carbonica in energia per alimentare i processi chimici che consentono alle cellule di crescere e riprodursi per formare nuovi cellule. Comprendere la forza strutturale delle ossa e i processi chimici del metabolismo aiuta gli scienziati a comprendere e ricreare la biologia di organismi estinti come dinosauri e rettili marini. Lo studio della fisica e della chimica dei sistemi biologici legati alla Terra suggerisce l'esistenza e le strutture di potenziali forme di vita in condizioni extraterrestri.

Molti college ora offrono programmi scientifici integrati piuttosto che studi isolati in biologia, chimica o fisica. Questi programmi universitari riconoscono l'interconnessione delle discipline scientifiche. Gli attuali standard di scienze dall'asilo fino al liceo si concentrano sulla scienza integrata, con crescente enfasi su scienza, tecnologia, ingegneria e matematica interconnesse (STEM o, con l'aggiunta dell'arte, STEAM) formazione scolastica. Molti college, che vanno dal curriculum di scienze integrate di Princeton al Dipartimento di chimica e biochimica dell'Università dell'Oregon, al Il dipartimento di biologia dell'Harvey Mudd College ora offre corsi e lauree che non si limitano a un singolo scientifico tradizionale disciplina.