Kā integrēt bioloģiju ķīmijā un fizikā

Daudzās vidusskolās bioloģiju, ķīmiju un fiziku māca kā atsevišķas klases. Atsevišķas klases var liecināt, ka mācību priekšmeti nav saistīti, bet tas būtu neprecīzs pieņēmums. Integrētās dabaszinību stundas arvien vairāk sasaista bioloģijas, ķīmijas un fizikas priekšmetus.

Kā Merriam-Webster tos definē, bioloģija ir dzīves izpēte, precīzāk "zināšanu filiāle, kas nodarbojas ar dzīvajiem organismiem un vitālajiem procesiem"; ķīmija sastāv no "zinātnes, kas nodarbojas ar vielu sastāvu, struktūru un īpašībām, kā arī ar to pārveidojumiem"; un fizika nozīmē "zinātne, kas nodarbojas ar vielu un enerģiju un to mijiedarbību".

Ķīmijas un bioloģijas attiecības koledžas studentiem piedāvā daudzus iespējamos sakarus un zinātnes eksperimentus bioloģijā. Visa dzīve ir atkarīga no ķīmiskajiem procesiem. Ķīmiskais fotosintēzes process, kas izmanto saules enerģiju, lai ūdeni un oglekļa dioksīdu pārveidotu par glikozi (cukuru), veido pamatu lielākajai daļai pārtikas ķēžu. Tāpat kā fotosintēze, arī ķīmiskā sintēze, izmantojot ķīmiskos procesus, uzkrāj enerģiju un ir pamats pārtikas ķēdēm gar dziļjūras atverēm, kas norāda uz Zemes agrākās dzīves un citu planētu dzīvības iespējām pavadoņi.

Bioluminiscence nozīmē dzīvu gaismu. Ķīmiskie procesi dažādos organismos, sākot no augiem līdz sēnēm un dzīvniekiem, ieskaitot dinoflagelātus, medūzas un makšķernieku zivis, rada šo dzīvo gaismu. Gremošana un šūnu elpošana ir atkarīga arī no ķīmiskām reakcijām dzīvo organismu iekšienē. Izpratne par eļļas ražošanas ķīmiju, pamatojoties uz aļģu sadalīšanos siltumā un spiedienā, piedāvā vienu risinājumu globālajai enerģijai krīze, iegūstot naftu no aļģēm, bet tā, iespējams, rada citu vides krīzi, turpinot izmantot iepriekš neatjaunojamo fosiliju degvielas.

Dzīvo organismu fizika piedāvā arī iespējas zinātnes eksperimentiem bioloģijas koledžas studentiem. Fizika ietver mehānikas, siltuma, gaismas, elektrības un skaņas studijas. Pētījumi par enerģiju, ko dzīvo organismi, neatkarīgi no tā, vai tie rodas no fotosintēzes vai šūnu elpošanas, izjauc robežu starp bioloģiju un fiziku. Bioluminiscences pētījumi pārbauda gan organismu radīto enerģiju, gan gaismu, apvienojot fiziku un bioloģiju. Nervu sistēmas elektrība, mehānismi, kas iedarbina ziemas guļu vai estimāciju, un tīklenes un bungādiņas jutīgums piemēro fizikas principus organismiem.

Pētījumi par spēkiem, kas salauž kaulus, sniedz ieskatu biomehāniskajos projektos, lai tos labotu kauli līdz to iepriekš salauztajam stiprumam un piedāvā metodes vides vai ģenētisko defektu labošanai vai trūkumi. Izpratne par dažādu ķermeņa locītavu mehāniku un strukturālajām prasībām jau ir sniegusi nepieciešamo informāciju ceļa, gūžas un plecu locītavu nomaiņas projektēšanai.

Organismi, neatkarīgi no tā, vai tie ir dzīvi, miruši vai izmiruši, darbojas to kombinēto bioloģisko, ķīmisko un fizikālo elementu dēļ. Šo disciplīnu izpratne sniedz ieskatu par organismu evolūcijas un strukturālajām īpašībām. Piemēram, koki stāv tāpēc, ka šūnu sienās esošā celuloze un vakuolos uzkrātais ūdens nodrošina strukturālo izturību, lai noturētu koku. biomasa, ieskaitot lapas, kas ūdeni un oglekļa dioksīdu pārvērš enerģijā, lai veicinātu ķīmiskos procesus, kas ļauj šūnām augt un vairoties, veidojot jaunas šūnas. Izpratne par kaulu strukturālo izturību un vielmaiņas ķīmiskajiem procesiem palīdz zinātniekiem izprast un atjaunot izmirušo organismu, piemēram, dinozauru un jūras rāpuļu, bioloģiju. Pētot ar Zemi saistīto bioloģisko sistēmu fiziku un ķīmiju, tiek ierosināta potenciālo dzīvības formu esamība un struktūras ārpuszemes apstākļos.

Tagad daudzas koledžas piedāvā integrētas zinātnes programmas, nevis atsevišķus pētījumus bioloģijā, ķīmijā vai fizikā. Šīs koledžas programmas atzīst zinātnisko disciplīnu savstarpējo savienojamību. Pašreizējais bērnudārzs, izmantojot vidusskolas dabaszinātņu standartus, koncentrējas uz integrētu zinātni, arvien vairāk uzsverot par savstarpēji saistītu zinātni, tehnoloģiju, inženierzinātnēm un matemātiku (STEM vai, pievienojot mākslu, STEAM) izglītība. Daudzas koledžas, sākot no Prinstonas integrētās zinātnes programmas līdz Oregonas Universitātes Ķīmijas un bioķīmijas katedrai līdz pat Hārvija Muda koledžas bioloģijas nodaļa tagad piedāvā kursus un grādus, kas neaprobežojas tikai ar vienu tradicionālo zinātnisko disciplīna.