Veel middelbare scholen geven biologie, scheikunde en natuurkunde als aparte lessen. Afzonderlijke klassen kunnen suggereren dat de onderwerpen niets met elkaar te maken hebben, maar dit zou een onjuiste veronderstelling zijn. Geïntegreerde wetenschappelijke lessen die de vakken biologie, scheikunde en natuurkunde steeds meer met elkaar verbinden
Wetenschapsdisciplines definiëren en integreren
Zoals Merriam-Webster ze definieert, is biologie de studie van het leven, meer specifiek 'een tak van kennis die zich bezighoudt met levende organismen en vitale processen'; scheikunde bestaat uit "een wetenschap die zich bezighoudt met de samenstelling, structuur en eigenschappen van stoffen en met de transformaties die ze ondergaan"; en natuurkunde betekent 'een wetenschap die zich bezighoudt met materie en energie en hun interacties'.
Biologie en scheikunde integreren
De relatie tussen scheikunde en biologie biedt vele mogelijke verbanden en wetenschappelijke experimenten voor universiteitsstudenten in de biologie. Al het leven hangt af van chemische processen. Het chemische proces van fotosynthese, dat de energie van de zon gebruikt om water en koolstofdioxide om te zetten in glucose (suiker), vormt de basis van de meeste voedselketens. Net als fotosynthese slaat chemosynthese energie op via chemische processen en ondersteunt de voedselketens langs diepzeeopeningen, wat mogelijkheden suggereert voor het vroegste leven van de aarde en leven op andere planeten en manen.
Bioluminescentie betekent levend licht. Chemische processen in een verscheidenheid aan organismen, variërend van planten tot schimmels tot dieren, waaronder dinoflagellaten, kwallen en zeeduivels, creëren dit levende licht. Spijsvertering en cellulaire ademhaling zijn ook afhankelijk van chemische reacties in levende organismen. Het begrijpen van de chemie van de olieproductie, gebaseerd op de ontbinding van algen onder hitte en druk, biedt één oplossing voor de wereldwijde energie crisis door aardolie te maken uit algen, maar het creëert mogelijk een nieuwe milieucrisis door voortdurend gebruik van voorheen niet-hernieuwbare fossielen brandstoffen.
Biologie en natuurkunde integreren
De fysica van levende organismen biedt ook kansen voor wetenschappelijke experimenten voor studenten biologie. Natuurkunde omvat de studies van mechanica, warmte, licht, elektriciteit en geluid. Onderzoek naar de energie die door levende organismen wordt gebruikt, of het nu gaat om fotosynthese of cellulaire ademhaling, vervaagt de grens tussen biologie en natuurkunde. Studies van bioluminescentie onderzoeken zowel de energie als het licht dat wordt gegenereerd door organismen, waarbij natuurkunde en biologie worden gecombineerd. De elektriciteit van het zenuwstelsel, de mechanismen die de winterslaap of estivatie veroorzaken, en de gevoeligheid van het netvlies en het trommelvlies passen de principes van de natuurkunde toe op de mechanismen van organismen.
Studies naar de krachten die botten breken, bieden inzicht in biomechanische ontwerpen om die te herstellen botten tot hun voorgebroken sterkte en stelt methoden voor om omgevings- of genetische defecten te corrigeren of tekortkomingen. Het begrijpen van de mechanische en structurele vereisten van verschillende lichaamsgewrichten heeft al de informatie opgeleverd die nodig is om vervangende knie-, heup- en schoudergewrichten te ontwerpen.
Integratie van biologie, scheikunde en natuurkunde
Organismen, levend, dood of uitgestorven, functioneren vanwege hun gecombineerde biologische, chemische en fysieke elementen. Begrippen uit deze disciplines geven inzicht in de evolutionaire en structurele kenmerken van organismen. Bomen staan bijvoorbeeld omdat de cellulose in hun celwanden en het water dat in hun vacuolen is opgeslagen de structurele sterkte bieden om de boom te ondersteunen. biomassa, inclusief de bladeren die water en kooldioxide omzetten in energie om de chemische processen te voeden waardoor cellen kunnen groeien en zich kunnen voortplanten om nieuwe te vormen cellen. Het begrijpen van de structurele sterkte van botten en de chemische processen van het metabolisme helpt wetenschappers de biologie van uitgestorven organismen zoals dinosaurussen en mariene reptielen te begrijpen en opnieuw te creëren. Het bestuderen van de fysica en chemie van aan de aarde gebonden biologische systemen suggereert het bestaan en de structuren van potentiële levensvormen onder buitenaardse omstandigheden.
Biologie, scheikunde of natuurkunde?
Veel hogescholen bieden nu geïntegreerde wetenschappelijke programma's aan in plaats van geïsoleerde studies in biologie, scheikunde of natuurkunde. Deze hogeschoolprogramma's erkennen de onderlinge verbondenheid van wetenschappelijke disciplines. De huidige wetenschappelijke normen van de kleuterschool tot de middelbare school zijn gericht op geïntegreerde wetenschap, met toenemende nadruk over onderling verbonden wetenschap, technologie, techniek en wiskunde (STEM of, met toevoeging van kunst, STEAM) onderwijs. Veel hogescholen, variërend van het Integrated Science Curriculum van Princeton tot het Department of Chemistry and Biochemistry van de University of Oregon tot de De afdeling Biologie van het Harvey Mudd College biedt nu cursussen en graden aan die zich niet beperken tot een enkele traditionele wetenschappelijke discipline.