როგორ გავაერთიანოთ ბიოლოგია ქიმიასა და ფიზიკაში

ბევრი საშუალო სკოლა ასწავლის ბიოლოგიას, ქიმიასა და ფიზიკას, როგორც ცალკეულ კლასებს. ცალკეულ კლასებში შეიძლება ვიფიქროთ, რომ საგნები არ არის დაკავშირებული, მაგრამ ეს იქნება არაზუსტი ვარაუდი. ინტეგრირებული სამეცნიერო კლასები სულ უფრო მეტად აკავშირებს ბიოლოგიის, ქიმიისა და ფიზიკის საგნებს.

როგორც მერიამ-ვებსტერი განსაზღვრავს მათ, ბიოლოგია არის სიცოცხლის შესწავლა, უფრო კონკრეტულად კი "ცოდნის დარგი, რომელიც ეხება ცოცხალ ორგანიზმებს და სასიცოცხლო პროცესებს"; ქიმია შედგება "მეცნიერებისგან, რომელიც ეხება ნივთიერებათა შემადგენლობას, სტრუქტურასა და თვისებებს და იმ ტრანსფორმაციებს, რომლებსაც ისინი განიცდიან"; ხოლო ფიზიკა ნიშნავს "მეცნიერებას, რომელიც ეხება მატერიასა და ენერგიას და მათ ურთიერთქმედებას".

ქიმიასა და ბიოლოგიას შორის ურთიერთობა გთავაზობთ მრავალ შესაძლო კავშირს და სამეცნიერო ექსპერიმენტებს კოლეჯის სტუდენტებისათვის ბიოლოგიაში. მთელი ცხოვრება დამოკიდებულია ქიმიურ პროცესებზე. ფოტოსინთეზის ქიმიური პროცესი, რომელიც იყენებს მზის ენერგიას წყლისა და ნახშირორჟანგის გლუკოზად (შაქრად) გადასაკეთებლად, წარმოადგენს საკვები ჯაჭვების უმეტესობას. ფოტოსინთეზის მსგავსად, ქიმიოსინთეზი ენერგიას ინახავს ქიმიური პროცესების საშუალებით და საყრდენ კვებავს ჯაჭვებს ღრმა ზღვის ხვრელების გასწვრივ, რაც დედამიწის ადრეული სიცოცხლისა და სხვა პლანეტებზე ცხოვრების შესაძლებლობებს წარმოადგენს მთვარეები

ბიოლუმინესცენცია ნიშნავს ცოცხალ შუქს. ქიმიური პროცესები სხვადასხვა ორგანიზმებში, დაწყებული მცენარეებიდან, სოკოებით დამთავრებული ცხოველებამდე, დინოფლაგელატებით, მედუზებით და თევზის თევზებით, ქმნის ამ ცოცხალ შუქს. საჭმლის მონელება და უჯრედული სუნთქვა ასევე დამოკიდებულია ცოცხალი ორგანიზმების ქიმიურ რეაქციებზე. ნავთობის წარმოების ქიმიის გაგება, რომელიც დაფუძნებულია წყალმცენარეების დაშლაზე სითბოს და წნევის ქვეშ, გთავაზობთ გლობალურ ენერგიას ერთ გამოსავალს კრიზისი წყალმცენარეებისგან ნავთობის მოპოვებით, მაგრამ ეს პოტენციურად ქმნის გარემოსდაცვით კრიზისს მანამდე არაგანახლებადი ნაშთების გამოყენების გზით საწვავი.

ცოცხალი ორგანიზმების ფიზიკა ასევე გთავაზობთ სამეცნიერო ექსპერიმენტებს ბიოლოგიის კოლეჯის სტუდენტებისთვის. ფიზიკა მოიცავს მექანიკის, სითბოს, სინათლის, ელექტროენერგიისა და ხმის შესწავლას. ცოცხალი ორგანიზმების მიერ გამოყენებული ენერგიის შესწავლა, იქნება ეს ფოტოსინთეზი თუ უჯრედული სუნთქვა, არღვევს ზღვარს ბიოლოგიასა და ფიზიკას შორის. ბიოლუმინესცენციის კვლევები შეისწავლის ორგანიზმში წარმოქმნილ ენერგიასა და სინათლეს, აერთიანებს ფიზიკასა და ბიოლოგიას. ნერვული სისტემის ელექტროენერგია, მექანიზმები, რომლებიც იწვევს ზამთრის ძილიანობას ან ეტივაციას ბადურისა და ეარდუმის მგრძნობელობა ფიზიკის პრინციპებს მიმართავს მექანიზმებზე ორგანიზმები

ძვლების დამსხვრეული ძალების შესწავლა უზრუნველყოფს ბიომექანიკური დიზაინის ინსპირაციას ძვლებამდე მათი გატეხილი ძალა და გთავაზობთ მეთოდებს გარემოსდაცვითი ან გენეტიკური დეფექტების გამოსასწორებლად ან ხარვეზები. სხეულის სხვადასხვა სახსრების მექანიკისა და სტრუქტურული მოთხოვნების გაგებამ უკვე მოგვაწოდა ინფორმაცია, რომელიც საჭიროა მუხლის, თეძოს და მხრის სახსრების შესაცვლელად.

ორგანიზმები, იქნება ეს ცოცხალი, მკვდარი თუ გადაშენებული, ფუნქციონირებს მათი კომბინირებული ბიოლოგიური, ქიმიური და ფიზიკური ელემენტების გამო. ამ დისციპლინების გაგება გვაწვდის ორგანიზმების ევოლუციურ და სტრუქტურულ მახასიათებლებს. მაგალითად, ხეები დგას, რადგან უჯრედის კედლებში ცელულოზა და მათ ვაკუოლებში შენახული წყალი უზრუნველყოფს სტრუქტურულ ძალას ხის ბიომასა, მათ შორის ფოთლები, რომლებიც წყალსა და ნახშირორჟანგს ენერგიად აქცევს ქიმიური პროცესების დასაწვავად, რაც უჯრედებს ზრდის და გამრავლების საშუალებას აძლევს, შექმნან ახალი უჯრედები. ძვლების სტრუქტურული სიმტკიცისა და მეტაბოლიზმის ქიმიური პროცესების გაგება ეხმარება მეცნიერებს გააცნობიერონ და ხელახლა შექმნან გადაშენებული ორგანიზმების ბიოლოგია, როგორიცაა დინოზავრები და ზღვის ქვეწარმავლები. დედამიწასთან დაკავშირებული ბიოლოგიური სისტემების ფიზიკისა და ქიმიის შესწავლა მიგვანიშნებს პოტენციური სიცოცხლის ფორმების არსებობასა და სტრუქტურებზე, მიწისზედა პირობებში.

ახლა მრავალი კოლეჯი გვთავაზობს ინტეგრირებულ სამეცნიერო პროგრამებს, ვიდრე ცალკეულ კვლევებს ბიოლოგიაში, ქიმიასა თუ ფიზიკაში. კოლეჯის ეს პროგრამები ცნობს სამეცნიერო დისციპლინების ურთიერთკავშირს. ამჟამინდელი საბავშვო ბაღი საშუალო სკოლის სამეცნიერო სტანდარტების მიხედვით აქცენტს აკეთებს ინტეგრირებულ მეცნიერებაზე, განსაკუთრებული აქცენტით ურთიერთდაკავშირებული მეცნიერების, ტექნოლოგიის, ინჟინერიისა და მათემატიკის შესახებ (STEM ან, ხელოვნების დამატებით STEAM) განათლება. მრავალი კოლეჯი, დაწყებული პრინსტონის ინტეგრირებული სამეცნიერო სასწავლო გეგმით დაწყებული ორეგონის უნივერსიტეტის ქიმიისა და ბიოქიმიის დეპარტამენტით დამთავრებული ჰარვი მუდის კოლეჯის ბიოლოგიის დეპარტამენტი ახლა გთავაზობთ კურსებსა და ხარისხებს, რომლებიც არ შემოიფარგლება მხოლოდ ერთი ტრადიციული სამეცნიეროთ დისციპლინა.