כיצד לשלב ביולוגיה עם כימיה ופיזיקה

תוֹכֶן

• הגדרת ושילוב דיסציפלינות מדעיות
• שילוב ביולוגיה וכימיה
• שילוב ביולוגיה ופיזיקה
• שילוב ביולוגיה, כימיה ופיזיקה
• ביולוגיה, כימיה או פיזיקה?

בתי ספר תיכוניים רבים מלמדים ביולוגיה, כימיה ופיזיקה כשיעורים נפרדים. שיעורים נפרדים עשויים להציע שהנושאים אינם קשורים זה לזה, אך זו תהיה הנחה לא מדויקת. שיעורי מדע משולבים המקשרים יותר ויותר בין מקצועות הביולוגיה, הכימיה והפיזיקה.

הגדרת ושילוב דיסציפלינות מדעיות

כפי שמגדיר אותם Merriam-Webster, ביולוגיה היא לימוד החיים, ליתר דיוק "ענף ידע העוסק באורגניזמים חיים ותהליכים חיוניים"; הכימיה מורכבת מ"מדע העוסק בהרכב, מבנה ותכונות של חומרים ועם התמורות שהם עוברים "; ופיזיקה פירושה "מדע העוסק בחומר ובאנרגיה ובאינטראקציות שלהם."

שילוב ביולוגיה וכימיה

הקשר בין כימיה לביולוגיה מציע קשרים אפשריים וניסויים מדעיים עבור סטודנטים במכללה בביולוגיה. כל החיים תלויים בתהליכים כימיים. התהליך הכימי של הפוטוסינתזה, המשתמש באנרגיות השמש כדי להמיר מים ופחמן דו חמצני לגלוקוז (סוכר), מהווה את הבסיס של מרבית שרשראות המזון. בדומה לפוטוסינתזה, הכימוסינתזה אוגרת אנרגיה באמצעות תהליכים כימיים ומבססת את שרשראות המזון לאורך פתחי ים עמוקים, ומציעה אפשרויות לחיים הקדומים ביותר של כדור הארץ בכוכבי לכת וירחים אחרים.

ביומלומינצנציה פירושה אור חי. תהליכים כימיים במגוון אורגניזמים, החל מצמחים ועד פטריות לבעלי חיים, כולל דינופלגלטים, מדוזות ודגי דייג, יוצרים אור חי זה. עיכול ונשימה תאית תלויים גם בתגובות כימיות בתוך אורגניזמים חיים. הבנת הכימיה של ייצור נפט, המבוססת על פירוק של אצות תחת חום ולחץ, מציעה פיתרון אחד למשבר האנרגיה העולמי על ידי ייצור נפט מאצות, אך זה עלול ליצור משבר סביבתי נוסף באמצעות שימוש ממושך בדלקים מאובנים שקודם לכן לא ניתן היה להתחדש.

שילוב ביולוגיה ופיזיקה

הפיזיקה של אורגניזמים חיים מציעה גם הזדמנויות לניסויים מדעיים עבור סטודנטים לביולוגיה. הפיזיקה כוללת מחקרי מכניקה, חום, אור, חשמל וצליל. מחקרים על האנרגיה שמשמשים אורגניזמים חיים, בין אם מפוטוסינתזה או נשימה תאית, מטשטשים את הגבול בין ביולוגיה לפיזיקה. מחקרים על ביומילינסקנס בוחנים הן את האנרגיה והן את האור שנוצר על ידי אורגניזמים, ומשלב פיזיקה וביולוגיה. החשמל של מערכת העצבים, המנגנונים המפעילים מצב שינה או ייעור, ורגישות הרשתית ותוף התוף מיישמים את עקרונות הפיזיקה על מנגנוני האורגניזמים.

מחקרים על הכוחות השוברים עצמות מספקים תובנות על תכנונים ביו-מכניים לתיקון אותן עצמות לכוחם השבור מראש ומציעים שיטות לתיקון פגמים או ליקויים סביבתיים או גנטיים. הבנת המכניקה והדרישות המבניות של מפרקי גוף שונים כבר סיפקה את המידע הדרוש לתכנון מפרקי ברכיים, מפרקי ירך וכתפיים.

שילוב ביולוגיה, כימיה ופיזיקה

אורגניזמים, בין אם חיים, מתים או נכחדים, מתפקדים בגלל היסודות הביולוגיים, הכימיים והפיזיים שלהם. הבנות מתחומים אלה מספקים תובנות לגבי המאפיינים האבולוציוניים והמבניים של אורגניזמים. לדוגמא, עצים עומדים מכיוון שהתאית בדפנות התא שלהם והמים שנאגרו בוואקום שלהם מספקים כוח מבני להחזיק את הביומסה של העצים, כולל העלים שממירים מים ופחמן דו חמצני לאנרגיה כדי לתדלק את התהליכים הכימיים המאפשרים לתאים לגדול ולהתרבות ליצירת תאים חדשים. הבנת החוזק המבני של העצמות והתהליכים הכימיים של חילוף החומרים מסייעת למדענים להבין וליצור מחדש את הביולוגיה של אורגניזמים שנכחדו כמו דינוזאורים וזוחלים ימיים. לימוד הפיזיקה והכימיה של מערכות ביולוגיות כבולות מכדור הארץ מרמז על קיומם של מבני צורות חיים פוטנציאליות בתנאים חוץ-ארציים.

ביולוגיה, כימיה או פיזיקה?

מכללות רבות מציעות כיום תכניות מדע משולבות ולא לימודים מבודדים בביולוגיה, כימיה או פיזיקה. תכניות אלה במכללות מכירות בקישוריות הדדית בין תחומים מדעיים. הגן הנוכחי דרך תקני מדע בתיכון מתמקדים במדע משולב, עם דגש גובר על מדע, טכנולוגיה, הנדסה ומתמטיקה קשורים זה בזה, (STEM או, בתוספת חינוך לאמנות, STEAM). מכללות רבות, החל מתכנית הלימודים המדעית המשולבת של פרינסטון ועד המחלקה לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת אורגונים ועד המחלקה לביולוגיה במכללת הארווי מוד מציעות כיום קורסים ותארים שאינם מגבילים את עצמם לתחום מדעי מסורתי אחד.