כיצד לשלב ביולוגיה בכימיה ופיזיקה

בתי ספר תיכוניים רבים מלמדים ביולוגיה, כימיה ופיזיקה כשיעורים נפרדים. שיעורים נפרדים עשויים להצביע על כך שהנבדקים אינם קשורים, אך זו תהיה הנחה לא מדויקת. שיעורי מדע משולבים המקשרים יותר ויותר את נושאי הביולוגיה, הכימיה והפיזיקה.

כפי שמגדירה אותם מרים-וובסטר, הביולוגיה היא חקר החיים, ליתר דיוק "ענף ידע העוסק באורגניזמים חיים ותהליכים חיוניים"; הכימיה מורכבת מ"מדע העוסק בהרכב, במבנה ובתכונות של חומרים ובתמורות שהם עוברים "; ופיזיקה פירושה "מדע העוסק בחומר ובאנרגיה ובאינטראקציות ביניהם".

הקשר בין כימיה וביולוגיה מציע קשרים אפשריים רבים וניסויים מדעיים עבור סטודנטים בביולוגיה. כל החיים תלויים בתהליכים כימיים. התהליך הכימי של הפוטוסינתזה, המשתמש באנרגיית השמש להמרת מים ופחמן דו חמצני לגלוקוז (סוכר), מהווה את הבסיס לרוב שרשראות המזון. בדומה לפוטוסינתזה, כימוסינתזה אוגרת אנרגיה בתהליכים כימיים ועומדת בבסיס רשתות המזון לאורך פתחי הים העמוקים, מה שמציע אפשרויות לחיים הראשונים של כדור הארץ ולחייו בכוכבי לכת אחרים ירחים.

פליטת אור משמעותה אור חי. תהליכים כימיים במגוון אורגניזמים, החל מצמחים וכלה בפטריות וכלה בבעלי חיים, כולל דינו-פלגים, מדוזות ודגי דייגים, יוצרים אור חי זה. עיכול ונשימה תאית תלויים גם בתגובות כימיות בתוך אורגניזמים חיים. הבנת הכימיה של ייצור נפט, המבוססת על פירוק אצות בחום ולחץ, מציעה פיתרון אחד לאנרגיה העולמית. משבר על ידי ייצור נפט מאצות, אך הוא עלול ליצור משבר סביבתי נוסף באמצעות המשך שימוש במאובנים שקודם לכן לא חודשו דלקים.

הפיזיקה של אורגניזמים חיים מציעה גם הזדמנויות לניסויים מדעיים עבור סטודנטים לביולוגיה. הפיזיקה כוללת לימודי מכניקה, חום, אור, חשמל וצליל. מחקרים על האנרגיה בה משתמשים אורגניזמים חיים, בין אם מפוטוסינתזה או מנשימה תאית, מטשטשים את הגבול בין ביולוגיה לפיזיקה. מחקרים על ביולומינסנציה בוחנים הן את האנרגיה והן את האור שנוצר על ידי אורגניזמים, המשלבים פיזיקה וביולוגיה. החשמל של מערכת העצבים, המנגנונים המפעילים תרדמת שינה או התפשטות, וכן הרגישות של הרשתית ועור התוף מיישמת את עקרונות הפיזיקה על המנגנונים של אורגניזמים.

מחקרים על הכוחות השוברים עצמות מספקים תובנות לגבי עיצובים ביו-מכניים לתיקון אותם עצמות בכוחן שנשבר מראש ומציעה שיטות לתיקון פגמים סביבתיים או גנטיים או ליקויים. הבנת המכניקה והדרישות המבניות של מפרקי גוף שונים כבר סיפקה את המידע הדרוש לתכנון מפרקי ברכיים, מפרקים וכתפיים חלופיים.

אורגניזמים, בין אם הם חיים, מתים או נכחדים, מתפקדים בגלל היסודות הביולוגיים, הכימיים והפיזיקליים המשולבים שלהם. הבנות מתחומים אלו מספקות תובנות לגבי המאפיינים האבולוציוניים והמבניים של אורגניזמים. לדוגמא, עצים עומדים מכיוון שהתאית בקירות התא שלהם והמים המאוחסנים בוואוולים שלהם מספקים את הכוח המבני להחזיק את עץ העץ ביומסה, כולל העלים הממירים מים ופחמן דו חמצני לאנרגיה כדי לתדלק את התהליכים הכימיים המאפשרים לתאים לצמוח ולהתרבות ולהיווצר חדשים תאים. הבנת החוזק המבני של העצמות ותהליכים כימיים של חילוף חומרים מסייעת למדענים להבין וליצור מחדש את הביולוגיה של אורגניזמים שנכחדו כמו דינוזאורים וזוחלים ימיים. לימוד הפיזיקה והכימיה של מערכות ביולוגיות הקשורות לכדור הארץ מרמז על קיומם ומבניהם של צורות חיים פוטנציאליות בתנאים מחוץ לארץ.

מכללות רבות מציעות כיום תוכניות מדע משולבות ולא לימודים בודדים בביולוגיה, כימיה או פיזיקה. תוכניות מכללות אלו מכירות בקישוריות הדדית של תחומים מדעיים. הגן הנוכחי באמצעות תקנים מדעיים בתיכון מתמקד במדע משולב, עם דגש הולך וגובר בנושא מדע, טכנולוגיה, הנדסה ומתמטיקה מקושרים (STEM או, בתוספת אמנות, STEAM) חינוך. מכללות רבות, החל מתכנית הלימודים המדעית המשולבת של פרינסטון וכלה במחלקה לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת אורגון. המחלקה לביולוגיה במכללת הארווי מוד מציעה כעת קורסים ותארים שאינם מגבילים את עצמם לאף מדע מסורתי אחד משמעת.