Zawartość
- Definiowanie i integracja dyscyplin naukowych
- Integracja biologii i chemii
- Integracja biologii i fizyki
- Integracja biologii, chemii i fizyki
- Biologia, chemia czy fizyka?
Wiele szkół średnich uczy osobnych zajęć z biologii, chemii i fizyki. Oddzielne klasy mogą sugerować, że badani nie są ze sobą spokrewnieni, ale byłoby to błędne założenie. Zintegrowane zajęcia naukowe w coraz większym stopniu łączące przedmioty z biologii, chemii i fizyki.
Definiowanie i integracja dyscyplin naukowych
Jak definiuje je Merriam-Webster, biologia jest studium życia, a dokładniej „gałęzi wiedzy, która zajmuje się żywymi organizmami i procesami życiowymi”; chemia składa się z „nauki, która zajmuje się składem, strukturą i właściwościami substancji oraz transformacjami, które przechodzą”; a fizyka oznacza „naukę zajmującą się materią i energią oraz ich interakcjami”.
Integracja biologii i chemii
Związek między chemią a biologią oferuje wiele możliwych powiązań i eksperymentów naukowych dla studentów biologii. Całe życie zależy od procesów chemicznych. Chemiczny proces fotosyntezy, w którym energia słoneczna przekształca wodę i dwutlenek węgla w glukozę (cukier), stanowi podstawę większości łańcuchów pokarmowych. Podobnie jak fotosynteza, chemosynteza magazynuje energię poprzez procesy chemiczne i stanowi podstawę łańcuchów pokarmowych wzdłuż otworów głębinowych, sugerując możliwości najwcześniejszego życia i życia na Ziemi na innych planetach i księżycach.
Bioluminescencja oznacza żywe światło. Procesy chemiczne zachodzące w różnych organizmach, od roślin przez grzyby po zwierzęta, w tym dinoflagellaty, meduzy i ryby wędkarskie, tworzą to żywe światło. Trawienie i oddychanie komórkowe zależą również od reakcji chemicznych w żywych organizmach. Zrozumienie chemii produkcji ropy naftowej, opartej na rozkładzie alg pod wpływem ciepła i ciśnienia, oferuje jedno rozwiązanie globalnego kryzysu energetycznego poprzez ropę naftową z alg, ale potencjalnie stwarza kolejny kryzys środowiskowy poprzez ciągłe stosowanie wcześniej nieodnawialnych paliw kopalnych.
Integracja biologii i fizyki
Fizyka żywych organizmów stwarza również możliwości eksperymentów naukowych dla studentów biologii. Fizyka obejmuje badania mechaniki, ciepła, światła, elektryczności i dźwięku. Badania energii zużywanej przez organizmy żywe, czy to z fotosyntezy, czy oddychania komórkowego, zacierają granicę między biologią a fizyką. Badania bioluminescencji badają zarówno energię, jak i światło generowane przez organizmy, łącząc fizykę i biologię. Elektryczność układu nerwowego, mechanizmy wywołujące hibernację lub estymację, a także wrażliwość siatkówki i błony bębenkowej stosuje zasady fizyki do mechanizmów organizmów.
Badania sił, które łamią kości, dostarczają wglądu w projekty biomechaniczne służące do naprawy tych samych kości do ich wcześniej złamanej siły i sugerują metody korygowania wad lub braków środowiskowych lub genetycznych. Zrozumienie mechaniki i wymagań konstrukcyjnych różnych stawów ciała dostarczyło już informacji potrzebnych do zaprojektowania zastępczych stawów kolanowych, biodrowych i barkowych.
Integracja biologii, chemii i fizyki
Organizmy żywe, martwe lub wymarłe funkcjonują z powodu połączonych elementów biologicznych, chemicznych i fizycznych. Zrozumienie tych dyscyplin zapewnia wgląd w ewolucyjne i strukturalne cechy organizmów. Na przykład drzewa stoją, ponieważ celuloza w ścianach komórek i woda zmagazynowana w wakuolach zapewniają wytrzymałość strukturalną do podtrzymywania biomasy drzew, w tym liści, które przekształcają wodę i dwutlenek węgla w energię, aby napędzać procesy chemiczne, które umożliwiają komórkom rosną i rozmnażają się, tworząc nowe komórki. Zrozumienie strukturalnej wytrzymałości kości i chemicznych procesów metabolizmu pomaga naukowcom zrozumieć i odtworzyć biologię wymarłych organizmów, takich jak dinozaury i gady morskie. Badanie fizyki i chemii związanych z Ziemią układów biologicznych sugeruje istnienie i struktury potencjalnych form życia w warunkach pozaziemskich.
Biologia, chemia czy fizyka?
Wiele szkół oferuje obecnie zintegrowane programy naukowe zamiast pojedynczych studiów z biologii, chemii lub fizyki. Te programy studiów uznają wzajemne powiązanie dyscyplin naukowych. Obecne przedszkole, które obejmuje standardy nauki w szkole średniej, koncentruje się na nauce zintegrowanej, kładąc coraz większy nacisk na wzajemnie powiązane nauki, technologię, inżynierię i matematykę (STEM lub, z dodatkiem sztuki, STEAM). Wiele uczelni, od Princetons Integrated Science Curriculum po University of Oregons Department of Chemistry and Biochemistry po Department of Biology w Harvey Mudd College, oferuje obecnie kursy i stopnie naukowe, które nie ograniczają się do jednej tradycyjnej dyscypliny naukowej.