Hvordan integrere biologi med kjemi og fysikk

Mange videregående skoler underviser i biologi, kjemi og fysikk som separate klasser. Separate klasser kan tyde på at fagene ikke er relatert, men dette vil være en unøyaktig antagelse. Integrerte vitenskapsklasser som i økende grad knytter fagene biologi, kjemi og fysikk.

Som Merriam-Webster definerer dem, er biologi studiet av livet, nærmere bestemt "en kunnskapsgren som omhandler levende organismer og vitale prosesser"; kjemi består av "en vitenskap som omhandler stoffers sammensetning, struktur og egenskaper og med transformasjonene de gjennomgår"; og fysikk betyr "en vitenskap som omhandler materie og energi og deres interaksjoner."

Forholdet mellom kjemi og biologi gir mange mulige sammenhenger og vitenskapelige eksperimenter for studenter i biologi. Alt liv avhenger av kjemiske prosesser. Den kjemiske prosessen med fotosyntese, som bruker solens energi til å omdanne vann og karbondioksid til glukose (sukker), danner basen til de fleste næringskjeder. I likhet med fotosyntese lagrer kjemosyntese energi gjennom kjemiske prosesser og underbygger næringskjedene langs dypvannsåpninger, noe som antyder muligheter for Jordens tidligste liv og liv på andre planeter og måner.

Bioluminescens betyr levende lys. Kjemiske prosesser i en rekke organismer, alt fra planter til sopp til dyr, inkludert dinoflagellater, maneter og fiskerfisk, skaper dette levende lyset. Fordøyelse og cellulær respirasjon avhenger også av kjemiske reaksjoner i levende organismer. Å forstå kjemien i oljeproduksjon, basert på nedbrytning av alger under varme og trykk, gir en løsning på den globale energien ved å lage petroleum fra alger, men det kan potensielt skape en ny miljøkrise gjennom fortsatt bruk av tidligere ikke-fornybart fossil drivstoff.

Fysikken til levende organismer gir også muligheter for vitenskapelige eksperimenter for studenter i biologi. Fysikk inkluderer studier av mekanikk, varme, lys, elektrisitet og lyd. Studier av energien som brukes av levende organismer, enten fra fotosyntese eller cellulær respirasjon, slører linjen mellom biologi og fysikk. Studier av bioluminescens undersøker både energien og lyset som genereres av organismer, og kombinerer fysikk og biologi. Elektrisiteten i nervesystemet, mekanismene som utløser dvalemodus eller estivasjon, og følsomheten til netthinnen og trommehinnen bruker fysikkens prinsipper til mekanismene for organismer.

Studier av kreftene som knekker bein gir innsikt i biomekanisk design for å reparere de samme bein til deres brutt styrke og foreslår metoder for å korrigere miljø- eller genetiske defekter eller mangler. Å forstå mekanikken og strukturelle krav til forskjellige kroppsledd har allerede gitt den informasjonen som trengs for å designe erstatning for kne-, hofte- og skulderledd.

Organismer, levende, døde eller utdøde, fungerer på grunn av deres kombinerte biologiske, kjemiske og fysiske elementer. Forståelser fra disse fagene gir innsikt i de evolusjonære og strukturelle egenskapene til organismer. For eksempel står trær fordi cellulosen i celleveggene og vannet som er lagret i vakuolene, gir den strukturelle styrken til å holde opp treets biomasse, inkludert bladene som omdanner vann og karbondioksid til energi for å drive de kjemiske prosessene som lar celler vokse og reprodusere for å danne nye celler. Å forstå den strukturelle styrken til bein og de kjemiske prosessene med metabolisme hjelper forskere til å forstå og gjenskape biologien til utdøde organismer som dinosaurer og marine reptiler. Å studere fysikk og kjemi i jordbundne biologiske systemer antyder eksistensen og strukturer av potensielle livsformer under utenomjordiske forhold.

Mange høyskoler tilbyr nå integrerte vitenskapsprogrammer i stedet for isolerte studier i biologi, kjemi eller fysikk. Disse høyskoleprogrammene anerkjenner sammenkoblingen av vitenskapelige disipliner. Den nåværende barnehagen gjennom vitenskapelige standarder på videregående skole fokuserer på integrert naturfag, med økende vekt om sammenkoblet vitenskap, teknologi, ingeniørfag og matematikk (STEM eller, med tillegg av kunst, STEAM) utdanning. Mange høyskoler, alt fra Princetons Integrated Science Curriculum til University of Oregon's Department of Chemistry and Biochemistry til the Biologiavdelingen ved Harvey Mudd College tilbyr nå kurs og grader som ikke begrenser seg til en eneste tradisjonell vitenskapelig disiplin.