Ako integrovať biológiu s chémiou a fyzikou

Mnoho stredných škôl vyučuje biológiu, chémiu a fyziku ako samostatné triedy. Samostatné triedy môžu naznačovať, že predmety spolu nesúvisia, čo by však bol nepresný predpoklad. Integrované prírodovedné triedy čoraz viac prepájajú predmety biologie, chémie a fyziky.

Ako ich definuje Merriam-Webster, biológia je štúdium života, presnejšie „odvetvie poznania, ktoré sa zaoberá živými organizmami a životne dôležitými procesmi“; chémia pozostáva z „vedy, ktorá sa zaoberá zložením, štruktúrou a vlastnosťami látok a transformáciami, ktoré prechádzajú“; a fyzika znamená „veda, ktorá sa zaoberá hmotou a energiou a ich interakciami“.

Vzťah medzi chémiou a biológiou ponúka študentom vysokých škôl v odbore biológia veľa možných spojení a vedeckých experimentov. Celý život závisí od chemických procesov. Chemický proces fotosyntézy, ktorý využíva slnečnú energiu na premenu vody a oxidu uhličitého na glukózu (cukor), tvorí základ väčšiny potravinových reťazcov. Rovnako ako fotosyntéza, aj chemosyntéza ukladá energiu chemickými procesmi a podporuje potravinové reťazce pozdĺž hlbokomorských prieduchov, čo naznačuje možnosti pre najskorší život Zeme a život na iných planétach a mesiace.

Bioluminiscencia znamená živé svetlo. Toto živé svetlo vytvárajú chemické procesy v rôznych organizmoch, od rastlín cez huby až po zvieratá, vrátane dinoflagelátov, medúz a rýb. Trávenie a bunkové dýchanie tiež závisia od chemických reakcií v živých organizmoch. Porozumenie chémii výroby ropy založené na rozklade rias pôsobením tepla a tlaku ponúka jedno riešenie globálnej energie krízy výrobou ropy z rias, ale potenciálne vytvára ďalšiu environmentálnu krízu pokračujúcim využívaním predtým neobnoviteľných fosílií palivá.

Fyzika živých organizmov ponúka možnosti pre vedecké experimenty aj pre študentov biológie. Fyzika zahŕňa štúdium mechaniky, tepla, svetla, elektriny a zvuku. Štúdie energie použitej živými organizmami, či už z fotosyntézy alebo bunkového dýchania, stierajú hranicu medzi biológiou a fyzikou. Štúdie bioluminiscencie skúmajú energiu i svetlo generované organizmami a kombinujú fyziku a biológiu. Elektrina nervového systému, mechanizmy, ktoré spôsobujú zimný spánok alebo uspanie a citlivosť sietnice a bubienka aplikuje fyzikálne princípy na mechanizmy organizmov.

Štúdie síl, ktoré zlomia kosti, poskytujú náhľad do biomechanických návrhov na ich opravu kostí na ich vopred zlomenú silu a navrhuje metódy na nápravu environmentálnych alebo genetických defektov príp nedostatky. Pochopenie mechaniky a štrukturálnych požiadaviek rôznych kĺbov tela už poskytlo informácie potrebné na návrh náhradných kĺbov kolien, bedier a ramien.

Organizmy, či už živé, mŕtve alebo vyhynuté, fungujú kvôli kombinovaným biologickým, chemickým a fyzikálnym prvkom. Porozumenia z týchto disciplín poskytujú pohľad na evolučné a štrukturálne vlastnosti organizmov. Napríklad stromy stoja, pretože celulóza v ich bunkových stenách a voda uložená v ich vakuolách poskytujú štrukturálnu pevnosť, aby udržali strom biomasa vrátane listov, ktoré premieňajú vodu a oxid uhličitý na energiu na podnecovanie chemických procesov, ktoré umožňujú bunkám rásť a množiť sa, aby vytvorili nové bunky. Pochopenie štruktúrnej sily kostí a chemických procesov metabolizmu pomáha vedcom pochopiť a znovu vytvoriť biológiu vyhynutých organizmov, ako sú dinosaury a morské plazy. Štúdium fyziky a chémie biologických systémov viazaných na Zem naznačuje existenciu a štruktúry potenciálnych foriem života za mimozemských podmienok.

Mnoho vysokých škôl teraz ponúka skôr integrované vedecké programy ako izolované štúdie z biológie, chémie alebo fyziky. Tieto vysokoškolské programy uznávajú vzájomné prepojenie vedných odborov. Súčasná materská škola sa prostredníctvom stredoškolských prírodovedných štandardov zameriava na integrovanú vedu so zvyšujúcim sa dôrazom o vzájomne prepojených vedách, technológiách, strojárstve a matematike (STEM alebo s prídavkom umenia STEAM) vzdelanie. Mnoho vysokých škôl, od Princetonského integrovaného prírodovedného študijného programu až po Katedru chémie a biochémie Univerzity v Oregone. Biologické oddelenie na Harvey Mudd College teraz ponúka kurzy a tituly, ktoré sa neobmedzujú iba na jeden tradičný vedecký odbor disciplína.