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2017_SS1_Lecture_01 - Biologie

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Biologie

Biologie ist das wissenschaftliche Studium des Lebens. Es ist eine Gelegenheit, einige der tiefsten Fragen der Menschheit über unsere Ursprünge, die Geschichte unseres Planeten und unsere Verbindungen zu anderen Lebewesen (groß und klein/vorhanden oder ausgestorben) zu untersuchen. Es ist auch eine Gelegenheit, in eine Welt der praktischen Problemlösung einzutauchen und über mögliche Lösungen zur Verbesserung der Gesundheitsversorgung, zur Aufrechterhaltung einer nachhaltigen Nahrungsmittelversorgung und zur Herstellung erneuerbarer Energietechnologien nachzudenken.

Das Studium der Biologie hilft uns, Probleme zu verstehen und alltägliche Probleme anzugehen. Zum Beispiel können Sie besser verstehen, wie Ihre Ernährung und Ihr Bewegungsumfang Ihre Gesundheit beeinflussen, wenn Sie die biochemischen Reaktionen verstehen, die beschreiben, wie die Nahrung (Materie) umgewandelt wird, wie sie und Ihr Körper Energie speichern und wie diese Energie sein kann von der Nahrung auf Ihre Muskeln übertragen. Die Entscheidung, ob Sie Produkte kaufen, die mit Begriffen wie "antimikrobiell" oder "probiotisch" gekennzeichnet sind, können einfacher sein, wenn Sie verstehen, was die Mikroben, die in, auf und um uns herum leben, tun. Das Verständnis der biochemischen Prinzipien, die die Veränderungen beschreiben, die bei Eiern beim Kochen passieren, kann uns helfen zu verstehen, wie ähnliche physikalische Prozesse für die zelluläre Stressreaktion und einige Krankheiten von zentraler Bedeutung sein können. Ihre Augenfarbe kann besser beurteilt werden, wenn Sie die genetischen und biochemischen Mechanismen verstehen, die genetische Informationen mit physischen Merkmalen verbinden.

Das Studium der Biologie hilft uns sogar, Dinge zu verstehen, die "nicht von dieser Welt" sind. Zum Beispiel kann uns das Verständnis der Voraussetzungen für Leben helfen, an Orten wie dem Mars oder tief in der Erdkruste nach Leben zu suchen. Wenn wir verstehen, wie wir zelluläre Entscheidungsnetzwerke richtig „neu verdrahten“ können, können wir möglicherweise endlich funktionelle Gliedmaßen oder Organe aus dem eigenen Gewebe regenerieren oder erkranktes Gewebe wieder gesund programmieren. Es gibt viele spannende Möglichkeiten. Der entscheidende Punkt ist, dass die Beherrschung einiger grundlegender Prinzipien Ihnen hilft, eine Vielzahl von Themen zu verstehen und tiefer darüber nachzudenken. Behalten Sie diesen Gedanken während des gesamten Kurses im Hinterkopf.

Biologie: eine interdisziplinäre Wissenschaft

Fragen in der Biologie umfassen Größenskalen von mehr als zehn Größenordnungen, von der atomaren Zusammensetzung und dem chemischen Verhalten einzelner Moleküle bis hin zu Systemen auf planetarischer Ebene interagierender Ökologien. Um ein tiefes und funktionales Verständnis der Biologie zu entwickeln, unabhängig vom Umfang des Interesses, wir müssen zuerst biologische Konzepte würdigen. Dies beinhaltet die Integration wichtiger Ideen und Werkzeuge aus dem gesamten Spektrum der Naturwissenschaften, einschließlich Chemie, Physik und Mathematik. Biologie ist wirklich eine interdisziplinäre Wissenschaft.

Die potenzielle Anwendung von Wissen ist breit

Manche Leute denken vielleicht, dass es beim Biologiestudium nur um Medizin geht – es kann jedoch zu vielen verschiedenen Karrieren führen oder diese beeinflussen. Die Biologie hat Anwendungen, die sowohl umfangreich als auch weitreichend sind. Zu den Anwendungen gehören die Behandlung von (menschlichen oder anderen tierischen) Patienten, die Verbesserung landwirtschaftlicher Praktiken, die Entwicklung neuer Baumaterialien, das Verfassen neuer Energierichtlinien, die Bekämpfung des globalen Klimawandels, die Schaffung neuer Kunstwerke – die Liste lässt sich endlos fortsetzen. Für Neugierige bietet die Biologie viele unerforschte Geheimnisse.

Während Sie Biologie studieren, schätzen Sie die spannenden Fragen und Themen und seien Sie aufgeschlossen. Auch wenn Kursthemen nicht immer erscheinen verwandt auf den ersten, sind sie wahrscheinlich. Aufgeschlossenheit hilft Ihnen, die Zusammenhänge zwischen den Themen des Studiengangs und Ihren Interessen zu entdecken und zu schätzen. Zu entdecken, wie scheinbar unterschiedliche Themen ineinandergreifen, kann Ihnen eine tiefere Wertschätzung für die Dinge geben, die Ihnen Spaß machen, und vielleicht sogar eine neue Leidenschaft entfachen.

BIS2A – von Molekülen zu Zellen

BIS2A konzentriert sich auf die Zelle, eine der grundlegendsten Einheiten des Lebens. Zellen können so einfach sein wie das krankheitserregende Bakterium Mycoplasma genitalium, dessen Genom nur 525 Gene kodiert (von denen nur 382 lebenswichtig sind) oder so komplex wie eine Zelle der vielzelligen Pflanze Oryza sativa (Reis), dessen Genom wahrscheinlich ~51.000 Gene kodiert. Trotz dieser Vielfalt teilen jedoch alle Zellen einige grundlegende Eigenschaften. In BIS2A erforschen wir grundlegende Probleme, die von allen Zellen angegangen werden müssen. Wir untersuchen die Bausteine ​​von Zellen, einige ihrer wichtigsten biochemischen Eigenschaften, wie biologische Informationen im genetischen Material kodiert und exprimiert werden und wie sich all dies zu einem lebenden System zusammenfügt. Wir werden auch einige der Arten diskutieren, wie lebende Systeme Materie, Energie und Informationen mit ihrer Umgebung (einschließlich anderer Lebewesen) austauschen. Wir konzentrieren uns in erster Linie auf Grundprinzipien, die allen Lebewesen auf der Erde gemeinsam sind, und setzen diese Ideen aufgrund der großen Breite der Biologie im gesamten Quartal in verschiedene Kontexte.

BIS2A

Biologische Wissenschaften 2A an der UC Davis. BIS2A ist ein 5-Einheiten-Kurs mit entweder drei 50-minütigen oder zwei 1-stündigen und 50-minütigen Vorlesungen (je nach Quartal) plus einer 2-stündigen Diskussion pro Woche. BIS2A ist der erste von drei Studiengängen im unteren Bereich der Kernsequenz in den biologischen Wissenschaften. BIS2A bietet eine Grundlage für wichtige biologische Konzepte, die für ein breites Spektrum von Studiengängen von Nutzen sind. Die Studierenden werden in die grundlegenden chemischen, molekularen, genetischen und zellulären Bausteine ​​des Lebens, biologische Mechanismen zur Rekrutierung und Übertragung von Materie und Energie, grundlegende Prinzipien des biologischen Informationsflusses und der zellulären Entscheidungsfindung sowie grundlegende Konzepte eingeführt, die den Beziehungen zwischen genetischen Informationen und Phänotyp.

Es ist wichtig zu wissen, dass BIS2A kein Vermessungskurs in Biologie ist. Biologie ist ein spannendes, breites und dynamisches Feld. Für Studierende der Biologie oder verwandter Fächer ist es von entscheidender Bedeutung, eine starke konzeptionelle Grundlage zu entwickeln und ihre Fähigkeit zu demonstrieren, diese in Kontexten zu verwenden, die für sie möglicherweise neu sind. Die Studierenden in BIS2A werden aufgefordert, die Fähigkeit zu entwickeln, die wichtigsten wissenschaftlichen und biologischen Fragen zu identifizieren und zu artikulieren, die den Kern des Kursinhalts bilden. Von den Studierenden wird erwartet, dass sie bei der Diskussion der Kursinhalte korrektes Fachvokabular lernen und verwenden. Von den Studierenden wird erwartet, dass sie beginnen, Kursinhalte aus einer fragenden und problemlösenden Perspektive zu konzipieren.

Ja, BIS2A erfordert harte Arbeit, aber wir hoffen auch, dass Sie Spaß daran haben, neue Aspekte der Biologie zu entdecken und die vielen offenen Fragen zu erkunden, was es bedeutet, am Leben zu sein.

Zu den wichtigsten Lernzielen des Kurses gehören:

  • Wenden Sie Prinzipien der Chemie und Bioenergetik im Kontext biologischer Systeme an, um zu beschreiben, wie Zellen Materie und Energie aufnehmen und umwandeln, um verschiedene lebenserhaltende Prozesse aufzubauen und anzutreiben, einschließlich chemischer Transformationen von Elementarverbindungen, zellulärer Replikation und zellulärer Informationsverarbeitung.
  • Erklären Sie die Beziehung zwischen Genotyp und genetischen Schlüsselprozessen, die phänotypische Vielfalt erzeugen.
  • Beschreiben Sie die Prozesse, die das Management von Zellinformationen regulieren; wie Informationen gespeichert, gelesen, neu angeordnet, repliziert werden; wie Zellen mit ihrer Umgebung interagieren und wie diese Prozesse die Zellphysiologie steuern können.

An wen wende ich mich, wenn ich Fragen zum Kurs habe?

  1. Allgemeine Informationen zum Studiengang: Der Lehrplan enthält die meisten dieser Informationen. Um viele Ihrer Fragen am schnellsten zu beantworten, empfehlen wir Ihnen dringend, sich den Lehrplan anzusehen, bevor Sie sich an einen der Mitarbeiter wenden.
  2. Allgemeine Informationen zu Themen in BIS2A: Das BIS2A Learning Center (BLC) in RM 2089 SLB ist eine Anlaufstelle für alle BIS2A-Studierenden. Das BLC wird von den Ausbildern und Lehrassistenten aller BIS2A-Sektionen besetzt. Jeder BIS2A-Dozent oder TA mit Sprechstunde im BLC sollte allgemeine Fragen zum Vortrags- und Diskussionsmaterial beantworten können. Wenn sie Ihre Fragen nicht beantworten können, werden sie Sie gerne an jemanden verweisen, der es kann.
  3. Vorlesungsmaterial und Nota-Bene-Aufgaben: Ihr Lecture TA ist eine großartige Informationsquelle über das Vorlesungsmaterial und alle vorlesungsbezogenen Lektüre, die für Ihren Bereich von BIS2A spezifisch sind.
  4. Diskussionsmaterial: Ihr Diskussions-TA ist die beste Informationsquelle über das Diskussionsmaterial in Ihrem spezifischen Diskussionsabschnitt.
  5. Alle kursinhaltsbezogenen Materialien: Ihr Dozent ist eine hervorragende Anlaufstelle für Fragen zu kursbezogenen Materialien. Finden Sie Ihren Lehrer nach dem Unterricht und gehen Sie wann immer möglich zu seinen Sprechzeiten.

Einige Ihrer Aufgaben

BIS2A ist eine Teamleistung. An der Entwicklung der Studieninhalte und der Bewertungsmaterialien sind mehrere Professoren beteiligt. Es gibt auch Lehrassistenten, die nicht nur die Diskussionsabschnitte leiten, sondern auch Einblicke geben, welche Konzepte die Schüler am schwierigsten finden.

Bitte halten Sie sich an Ihre Pflichten als Student. Machen Sie die zugewiesene Lektüre und beginnen Sie, neue Vokabeln zu lernen, bevor Sie zum Unterricht kommen. Kommen Sie bereit zum Unterricht - Ihr Dozent geht davon aus, dass Sie das Material vor dem Unterricht gelesen haben und der Vortrag nicht Ihre erste Begegnung mit dem Inhalt ist. Sehen Sie sich nach dem Unterricht Ihre Notizen, den Podcast und den Leitfaden nach dem Studium an. Holen Sie sich sofort Hilfe, wenn Sie sie brauchen. Wenn jeder in der Klasse diese Dinge gewissenhaft tun kann, werden wir alle dieses Quartal Spaß haben (auch wenn wir hart arbeiten) und am Ende des Semesters ein glücklicher und schlauerer Haufen sein!

Aktives Lernen in BIS2A

In jeder Vorlesung werden wir Sie bitten, Fragen zu beantworten, entweder in einer kleinen Gruppe oder einzeln. Diese Fragen dienen mehreren Zwecken:

Funktionen von Unterrichtsfragen

  • Fragen regen die Schüler dazu an, ein Thema aus einer anderen Perspektive zu untersuchen, die der Lehrer als relevant für ihr Lernen ansieht.

  • Fragen dienen den Schülern als kleine "Selbsttests". Wenn Sie sich nicht sicher sind, welche Frage gestellt wird oder wie Sie sie beantworten sollen, ist dies ein guter Zeitpunkt, um (a) den Dozenten um Klärung zu bitten und/oder (b) dies unmittelbar nach dem Unterricht mit einem TA, dem Dozenten, zu überprüfen , Mitschüler oder das Internet. Wenn sich der Lehrer die Zeit genommen hat, Ihnen die Frage im Unterricht zu stellen, ist dies ein großer Hinweis darauf, dass er/sie sowohl die Frage als auch die Antwort für wichtig hält.

  • Bei einigen Fragen im Unterricht werden die Schüler aufgefordert, selbst Fragen zu formulieren. Dies ist in der Regel eine Übung, die den Schüler dazu bringen soll, über den Punkt der Lektion nachzudenken und zu versuchen, ihn zu artikulieren. Dies sind kritische Übungen, die Sie zwingen, tiefer über ein Thema nachzudenken und es in den größeren Kontext des Kurses einzuordnen.

  • Bei einigen Fragen kann der Schüler aufgefordert werden, Daten zu interpretieren oder ein Modell (z. B. vielleicht ein Bild) zu erstellen und der Klasse mitzuteilen, was er sieht. In dieser Übung soll der Schüler üben, etwas laut zu erklären. Dies kann ein großartiger Selbsttest und eine großartige Lernerfahrung sein, sowohl für die antwortende Person als auch für die Kommilitonen, die ebenfalls die Zeit nutzen sollten, um zu prüfen, wie sie die Frage beantwortet hätten und wie sich das mit dem Feedback des Dozenten verhält.

  • Fragen in der anschließenden Diskussion und der Denkprozess bei der Lösung eines Problems oder der Beantwortung der Fragen bieten dem Dozenten die Möglichkeit, das Expertenverhalten auf interaktive Weise zu modellieren – manchmal ist es genauso wichtig zu verstehen, WIE wir zu einer Antwort kommen, wie es ist, zu verstehen die Antwort verstehen.

Einige Fragen sollen eher zum Nachdenken und zur Diskussion anregen, als um eine diskrete Antwort hervorzurufen. Wenn Sie angerufen werden, sollten Sie sich nicht gezwungen fühlen, eine "richtige" Antwort zu haben!! Dies zu verstehen ist sehr wichtig. Sobald Sie erkennen, dass es völlig akzeptabel (und manchmal wünschenswert) ist, nicht alle Antworten zu kennen (wenn ja, was wäre der Sinn, zum Unterricht zu kommen), kann dies viel der Angst nehmen, aufgerufen zu werden. Auch wenn es in Ordnung ist, "die Antwort" nicht zu kennen, ist es dennoch wichtig, dass Sie versuchen, einen Beitrag zur Diskussion zu leisten. Beispiele für andere sinnvolle Beiträge könnten sein: Bitte um Klärung; Verknüpfen der Frage mit einem anderen Unterrichtsthema (Versuchen, Verbindungen herzustellen); und auszudrücken, womit Sie sich wohl fühlen und was Sie an der Frage verwirrt. Haben Sie keine Angst zu sagen „Ich weiß nicht“. Das ist völlig in Ordnung und wird manchmal sogar erwartet. Seien Sie jedoch darauf vorbereitet, dass der Kursleiter eine andere Frage stellt, die versucht, entweder etwas hervorzuheben, das Sie wahrscheinlich wissen, oder Sie um Hilfe bei der Identifizierung von Verwirrungspunkten zu bitten.

Vorbereitung auf den Vortrag

Um Ihnen bei der Vorbereitung auf jede Vorlesung zu helfen, stellen wir Studienführer zur Verfügung, die Anweisungen zur Vorbereitung auf den Unterricht enthalten. Sie sollten Ihr Bestes tun, um die zugewiesene Lektüre und die vorgeschlagenen "Selbsteinschätzungen" abzuschließen, bevor Sie zum Unterricht kommen. Dies stellt sicher, dass Sie für Diskussionen bereit sind und Ihre Zeit während des Unterrichts optimal nutzen können. Wir erwarten nicht, dass Sie vor der Vorlesung ein Experte sind, aber wir erwarten von Ihnen, dass Sie die Vorlesung durchführen und sich dabei mit dem erforderlichen Vokabular vertraut machen und sich einige Zeit nehmen, um über die zu diskutierenden Konzepte nachzudenken. Auf diesem Grundwissen bauen wir in der Vorlesung auf. Wenn Sie nicht zumindest einige der Grundbausteine ​​im Voraus haben, werden Sie Ihre Unterrichtszeit weniger effizient nutzen.

Das können wir nicht genug betonen SIE tragen die Hauptverantwortung für das Erlernen des Materials in diesem (oder einem anderen) Kurs. Obwohl wir in Ihren Erfolg investiert sind, können Ihre Ausbilder und TAs Wissen nicht auf magische Weise einpflanzen. Wie bei jeder anderen Disziplin, die Beherrschung erfordert (z. B. Sport, Musik, Tanz usw.), können wir Sie anleiten und Ihre Leistung kritisieren, aber wir können die Stunden des Übens nicht ersetzen, die erforderlich sind, um in etwas gut zu werden. Sie würden nie erwarten, ein kompetenter Pianist zu werden, indem Sie ein- oder zweimal pro Woche zum Unterricht gehen und nie üben. Für die meisten von uns scheint es selbstverständlich, dass man Übung braucht, um in etwas wie Musik, Kunst oder Sport gut zu werden. Es sollte nicht überraschen, dass die gleiche Regel beim Lernen von Biologie oder anderen akademischen Fächern gilt.

Wir verstehen uns als Ihre Coaches für diese Klasse; Wir möchten, dass Sie alle erfolgreich sind. Dazu müssen Sie jedoch Ihre Praxis ernst nehmen. Das bedeutet, vorbereitet in den Unterricht zu kommen, am Unterricht teilzunehmen, den im Unterricht behandelten Stoff so schnell wie möglich zu studieren, Unsicherheiten zu erkennen und so schnell wie möglich Hilfe bei der Klärung dieser Themen zu erhalten und zu versuchen, nachdenkliche Beiträge zu den Online-Diskussionen zu leisten ( nicht nur das Nötigste, um "die Punkte zu bekommen").

Fazit: Sie müssen aktiv an Ihrem Lernen teilnehmen.

Wissen und Lernen

Wissenschaft lehren und lernen

Wissenschaft lehren und lernen sind anspruchsvolle Aufgaben. Als Lehrende müssen wir komplexe, stark vernetzte Konzepte vermitteln, die als Grundlage für Ihr zukünftiges Studium dienen. Wir möchten auch, dass unsere Studenten diese Ideen auf hohem Niveau beherrschen. Als Schüler müssen Sie ein großes neues Vokabular lernen, mentale Modelle erstellen, an denen Sie das neue konzeptionelle Wissen "hängen" können, und zeigen, dass Sie dieses neue Wissen tatsächlich anwenden können. Der Prozess fordert sowohl den Lehrer als auch den Schüler heraus. Obwohl der Prozess harte Arbeit erfordert, kann er auch unglaublich lohnend sein. Es gibt nichts Befriedigenderes für einen Ausbilder als diese „Aha!“ Momente, in denen ein Schüler plötzlich ein wichtiges Konzept versteht.

In BIS2A stehen wir vor einigen interessanten Lehr- und Lernherausforderungen. Eine zentrale Herausforderung besteht darin, dass wir physische Dinge und Ideen diskutieren, die existieren oder passieren, und zwar in Zeit- und/oder Größenskalen, die den meisten Schülern nicht vertraut sind. Was bedeutet das? Betrachten Sie das folgende Beispiel:

Beispiel: Einige Herausforderungen im Zusammenhang mit der Erstellung mentaler Modelle

Ein Lehrer, der Wildtierbiologie unterrichtet, möchte vielleicht über Konzepte in der Evolution sprechen, indem er Vogelschnäbel als Ausgangspunkt für Diskussionen verwendet. In diesem Fall muss der Ausbilder keine Zeit damit verbringen, mentale Bilder von unterschiedlich geformten Vogelschnäbeln zu erstellen (oder muss zumindest nur ein Bild zeigen); Die meisten Schüler werden bereitwillig auf ihr bisheriges Wissen und ihren Alltag zurückgreifen, um mentale Bilder von Enten-, Adler- oder Spechtschnäbeln zu erstellen und die verschiedenen funktionalen Gründe abzuleiten, warum die Natur unterschiedliche Formen gewählt haben könnte. Infolgedessen müssen die Schüler keine mentalen Anstrengungen aufwenden, um sich vorzustellen, wie die Schnäbel aussehen, und können stattdessen ihre ganze Energie auf die Kernlektion der Evolution konzentrieren.

Umgangssprachlicher: Wenn Sie aufgefordert werden, über etwas Neues nachzudenken, das eng mit etwas bereits Bekanntem verwandt ist, ist es nicht allzu schwer, sich auf das neue Material zu konzentrieren.

Im Gegensatz dazu bitten wir in BIS2A die Schüler, über Dinge nachzudenken und zu diskutieren, die auf atomarer, molekularer und zellulärer Ebene passieren und mit Geschwindigkeiten, die Mikrosekunden bis Jahrtausende umfassen. Wir werden vermuten, dass die meisten Studenten kein Leben auf der Mikro- bis Nanometerskala geführt haben. Auf dieser Längenskala finden jedoch die meisten Ereignisse statt, die allen biologischen Systemen gemeinsam sind. Studienanfängern, die nicht viel darüber nachgedacht haben, wie die Dinge auf molekularer Ebene passieren, fehlen mentale Modelle, um neue Informationen hinzuzufügen. Dieser Ausgangspunkt belastet sowohl den Schüler als auch die Lehrer, NEUE mentale Modelle für viele der Dinge zu schaffen und zu verstärken, über die wir im Unterricht sprechen. Um beispielsweise wirklich über die Funktionsweise von Proteinen zu sprechen, müssen wir zunächst einen gemeinsamen Satz von Modellen und Vokabularen für die Darstellung von Molekülen auf atomarer und molekularer Ebene entwickeln. Diese Modelle müssen nicht nur Wege finden, die Struktur des Moleküls abzubilden, sondern die Modelle müssen auch abstrakte Vorstellungen über die chemischen Eigenschaften von Molekülen und deren Wechselwirkungen enthalten. Daher müssen die Studenten in BIS2A einige Anstrengungen unternehmen, um mentale Modelle zu konstruieren, wie Proteine ​​"aussehen" und wie sie sich auf molekularer Ebene verhalten. Da sich der gesamte Kurs um Biomoleküle und Prozesse dreht, die im mikroskopischen Maßstab ablaufen, kann für fast jedes Thema der Klasse ähnlich argumentiert werden.

Hinweis: Mögliche Diskussion

Wie interpretieren Sie den Begriff mentales Modell und warum ist es Ihrer Meinung nach wichtig für das Lernen?

Einige der Übungen im Unterricht und im Studienführer sollen helfen, diese Herausforderung zu meistern. die meisten Studenten fanden sie sehr nützlich. Einige Studenten sind jedoch eher daran gewöhnt, für Prüfungen zu lernen, indem sie Informationen auswendig lernen, anstatt sie zu verstehen.(Es ist nicht ihre Schuld; dazu wurden sie in der Vergangenheit aufgefordert). Als Ergebnis, wenn die Probleme mit der Haltung "um jeden Preis auswendig lernen" angegangen werden

etwas

der BIS2A-Übungen mag zunächst sinnlos erscheinen. Warum bitten Sie Ihre Dozenten beispielsweise, einige der im Unterricht beschriebenen Konzepte wiederholt zu zeichnen? Auf welche Multiple-Choice-Frage könnte Sie diese Übung möglicherweise vorbereiten? Es stimmt zwar, dass einige Ihrer Lehrer Sie nicht auffordern, komplizierte Figuren in einer Prüfung zu zeichnen, aber diese Zeichenübungen versuchen nicht, die Schüler auf eine bestimmte Frage vorzubereiten. Vielmehr versucht der Lehrer, Sie zu ermutigen, ein mentales Modell für sich selbst zu erstellen und zu üben, es zu verwenden. Der Akt des Zeichnens kann auch als "Selbsttest" dienen. Wenn Sie sich dazu zwingen, etwas aufzuschreiben oder ein Bild zu erstellen, das einen Prozess auf Papier beschreibt, können Sie selbstständig einschätzen, wie stark Ihr konzeptionelles Verständnis eines Themas wirklich ist, indem Sie sehen, wie leicht oder schwer es war, Ihr geistiges Bild zu fassen etwas auf Papier. Wenn es für Sie schwierig ist, OHNE EXTERNE UNTERSTÜTZUNG ein Kernkonzept oder einen Prozess aus dem Unterricht zu ziehen, benötigen Sie wahrscheinlich mehr Übung. Wenn es einfach ist, können Sie Ihrem Modell neue Informationen hinzufügen. Während des gesamten Kurses werden Sie Ihrem mentalen Modell weiterhin neue Informationen hinzufügen oder das in Ihrem mentalen Modell repräsentierte Konzept in einem neuen Kontext verwenden. Halten Sie Ihre Zeichnungen – oder andere Selbsttestmechanismen – aktuell. Fallen Sie nicht zurück.

Übrigens ist die Präsentation eines Kurskonzepts bei einer Prüfung in einem Kontext, den der Student noch nie zuvor gesehen hat, KEINE böse Intrige des Dozenten. Vielmehr ist es eine Möglichkeit für den Lehrer und den Schüler zu beurteilen, ob das Konzept erlernt wurde und ob dieses Wissen vom Schüler außerhalb des spezifischen Beispiels, das im Unterricht oder in der Lektüre gegeben wird, verwendet / übertragen werden kann. Den Schüler aufzufordern, Letzteres zu wiederholen, würde eine Übung des Auswendiglernens darstellen und wäre keine Bewertung des wertvollen Lernens und des unabhängigen Denkens oder eine Darstellung dessen, was im wirklichen Leben passiert.

WICHTIG: Die Idee, dass Schüler in BIS2A auf ihre Fähigkeit getestet werden, VERWENDEN Konzepte in bestimmten Kontexten, die sie noch nie zuvor gesehen haben, müssen unbedingt verstanden werden! Achten Sie besonders auf dieses Wissen. Die Entwicklung von brauchbarem konzeptionellem Wissen erfordert mehr Disziplin und Arbeit als das Auswendiglernen. Das Viertel bewegt sich auch SEHR schnell und Konzepte werden übereinander gelegt. Wenn Sie zu weit zurückbleiben, ist es sehr, sehr schwierig, die verlorene Zeit zwei oder drei Tage vor einer Prüfung nachzuholen. Seien Sie so diszipliniert wie möglich und halten Sie mit den Kursmaterialien Schritt.

Daher sind einige Konzepte schwer zu lehren und zu verstehen. Was sollen wir tun? Sowohl Dozenten als auch Studenten verwenden verschiedene Kommunikationstricks, um abstrakte Ideen zu vereinfachen oder verständlicher zu machen. Wir verwenden Werkzeuge wie Analogien oder vereinfachte Modelle (mehr zu deren Bedeutung in Kürze), um komplexe Ideen zu beschreiben. Dinge besser zuordenbar zu machen kann verschiedene Formen annehmen. Die Lehrkräfte können versuchen, verschiedene Simliese oder Metaphern zu verwenden, um mentale Bilder oder konzeptionelle Modelle, die die Schüler bereits haben (aus dem täglichen Leben), zu nutzen, um etwas Neues zu erklären. Zum Beispiel funktioniert die Sache X, die Sie nicht verstehen, ein wenig wie die Sache Y, die Sie verstehen. Manchmal hilft dies, eine Diskussion zu begründen. Eine andere Sache, bei der Sie einen Lehrer oder Schüler erwischen könnten, ist: anthropomorphisierend das Verhalten von physischen Dingen, die unbekannt sind. Zum Beispiel könnten wir Molekül A sagen „will" mit Molekül B zu interagieren, um die korrektere, aber komplexere Beschreibung der chemischen Energetik zu vereinfachen, die an der Wechselwirkung zwischen den Molekülen A und B beteiligt ist. Anthropomorphismen können nützlich sein, weil sie wie Gleichnisse und Metaphern versuchen, die Entstehung neuer Ideen und mentale Modelle zu Konzepten, die bereits im Gehirn des Schülers existieren.

Obwohl diese Tools großartig und effektiv sein können, müssen sie dennoch sorgfältig verwendet werden – sowohl vom Lehrer als auch vom Schüler. Das Hauptrisiko dieser vereinfachenden Tools besteht darin, dass sie konzeptionelle Verbindungen herstellen können, die nicht existieren sollten, die zu unbeabsichtigten Missverständnissen führen oder die Verbindung eines neuen Konzepts erschweren. Obwohl diese Tools gültig sind, müssen wir - Studenten und Dozenten - auch wachsam sein, um die Grenzen zu verstehen, die diese Tools in unserer Fähigkeit haben, neue Ideen zu lernen. Wenn diese pädagogischen Instrumente nützlich sind, ihr Einsatz aber auch Risiken birgt, wie gehen wir dann vor?

Das Heilmittel besteht aus zwei Teilen:

1. Erkennen, wenn eines dieser "vereinfachenden" Tools verwendet wird und

2. Versuchen Sie herauszufinden, wo die spezifische Analogie, Metapher etc. funktioniert und wo sie konzeptionell versagt.

Die zweite Anweisung ist die schwierigste und kann für die Lernenden eine Herausforderung darstellen, insbesondere wenn sie zum ersten Mal mit einem neuen Konzept in Berührung kommen. Das bloße Nachdenken über die potenziellen Probleme, die mit einer Analogie oder einem Modell verbunden sind, ist jedoch eine wichtige metakognitive Übung, die den Schülern beim Lernen hilft. In BIS2A erwarten Ihre Dozenten gelegentlich, dass Sie die Verwendung dieser pädagogischen Instrumente ausdrücklich anerkennen und die mit ihrer Verwendung verbundenen Kompromisse erläutern. Auch Ihre Dozenten helfen Ihnen dabei, indem sie explizit auf Beispiele hinweisen oder Sie anspornen, ein mögliches Problem zu erkennen.

Hinweis: Mögliche Diskussion

Können Sie ein Beispiel aus Ihrem vorherigen Unterricht geben, in dem ein Lehrer einen Anthropomorphismus verwendet hat, um ein nichtmenschliches Ding zu beschreiben? Was waren/sind die Kompromisse der Beschreibung (d. h. warum hat die Beschreibung funktioniert und was waren ihre Einschränkungen)?

Vokabeln verwenden

Es ist auch erwähnenswert, ein weiteres problematisches Thema zu beachten, das Schüler, die gerade erst in einer Disziplin beginnen, unnötig verwirren kann – die Verwendung von Vokabeln, die möglicherweise mehrere Definitionen haben, und/oder die falsche Verwendung von Vokabeln mit strengen Definitionen. Obwohl dies kein einziges Problem der Biologie ist, ist es dennoch wichtig zu erkennen, dass es auftritt. Wir können auf Beispiele aus dem wirklichen Leben zurückgreifen, um ein besseres Gefühl für dieses Problem zu bekommen. Wenn wir zum Beispiel so etwas sagen wie „Ich bin in den Laden gefahren“, wird vernünftigerweise erwartet, dass einige Dinge sofort verstanden werden. Wir brauchen nicht zu sagen: "Ich saß und kontrollierte eine vierrädrige, geschlossene Plattform, die durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe angetrieben wird, zu einem Gebäude, das Waren sammelt, die ich beschaffen möchte, und dies durch den Austausch von fungibler Währung gegen diese tun kann." waren", um den Kern unserer Botschaft zu transportieren. Der Nachteil bei der Verwendung der Begriffe "Fuhr" und "Laden" besteht darin, dass wir möglicherweise wichtige Details darüber verloren haben, was wirklich passiert ist. Vielleicht ist das Auto batteriebetrieben und das ist wichtig, um einige Details der folgenden Geschichte zu verstehen (insbesondere wenn dieser Teil der Geschichte darin besteht, einen Abschleppwagenfahrer zu rufen, um Sie abzuholen, nachdem das Auto eine Panne hat). Vielleicht ist es wichtig, den spezifischen Store zu kennen, um den Kontext zu verstehen. Manchmal spielen diese Details keine Rolle, aber manchmal kann es zu Verwirrung führen, wenn sie nicht bekannt sind. Es ist wichtig, Vokabeln richtig zu verwenden und bei der Wortwahl vorsichtig zu sein. Zu wissen, wann vereinfacht und wann zusätzliche Details angegeben werden müssen, ist ebenfalls wichtig.

Beiseite:

Im Labor berichten Bachelor-Studenten der Biologie ihren Mentoren oft, dass "mein Experiment funktioniert hat", ohne wichtige Details darüber zu teilen, was es bedeutet, "funktioniert" zu haben, was die Beweise sind, wie stark die Beweise sind oder auf welcher Grundlage ist für ihr Urteil - alle Details, die entscheidend sind, um genau zu verstehen, was passiert ist. Wenn und/oder wenn Sie anfangen, in einem Forschungslabor zu arbeiten, tun Sie sich und Ihrem Berater den Gefallen, im DETAIL zu beschreiben, was Sie erreichen wollten (gehen Sie nicht davon aus, dass sie sich an die Details erinnern), wie Sie sich entschieden haben, Ihr Ziel zu erreichen ( Versuchsdesign), was die genauen Ergebnisse waren (es wird empfohlen, richtig gekennzeichnete Daten anzuzeigen) und Ihre Interpretation bereitzustellen. Wenn Sie Ihre Beschreibung mit den Worten "daher hat es funktioniert!" beenden möchten. das ist auch super.

Hinweis: Mögliche Diskussion

Können Sie sich ein Beispiel vorstellen, bei dem die ungenaue oder falsche Verwendung von Vokabeln im wirklichen Leben unnötige Verwirrung verursachte? Beschreiben Sie das Beispiel und diskutieren Sie, wie die Verwirrung hätte vermieden werden können.

Modelle und vereinfachende Annahmen

Erstellen von Modellen von realen Dingen

Das Leben ist kompliziert. Um uns zu helfen zu verstehen, was wir um uns herum sehen – sowohl in unserem täglichen Leben als auch in der Wissenschaft oder Technik – konstruieren wir oft Modelle. Ein allgemeiner Aphorismus besagt: Alle Modelle sind falsch, aber einige sind nützlich. Das heißt, egal wie ausgefeilt, alle Modelle sind Annäherungen an etwas Reales. Obwohl sie nicht die „echte Sache“ sind (und daher falsch sind), sind Modelle nützlich, wenn sie es uns ermöglichen, Vorhersagen über das wirkliche Leben zu treffen, die wir verwenden können. Modelle gibt es in einer Vielzahl von Formen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf:

Arten von Modellen

  • Physikalische Modelle: Dies sind 3-D-Objekte, die wir anfassen können.
  • Zeichnungen: Diese können auf Papier oder am Computer sein und entweder in 2D oder virtuell 3D. Wir schauen sie meistens an.
  • Mathematische Modelle: Diese beschreiben mathematisch etwas im wirklichen Leben. Wir verwenden diese, um das Verhalten der Sache oder des Prozesses zu berechnen, die wir verstehen möchten.
  • Mündliche oder schriftliche Modelle: Diese Modelle werden in geschriebener oder gesprochener Sprache kommuniziert.
  • Mentale Modelle: Diese Modelle werden in unseren Köpfen konstruiert und wir verwenden sie, um die anderen Arten von Modellen zu erstellen und die Dinge um uns herum zu verstehen.

Annahmen vereinfachen


In der Wissenschaft und im Alltag werden in der Regel einfache Modelle komplexen vorgezogen. Um einfache Modelle komplexer realer Dinge zu erstellen, müssen wir so genannte vereinfachende Annahmen. Wie der Name schon sagt, vereinfachende Annahmen sind Annahmen, die in das Modell einfließen, um die Analyse so weit wie möglich zu vereinfachen. Wenn ein vereinfachtes Modell das Verhalten der realen Sache nicht mehr innerhalb akzeptabler Grenzen vorhersagt, wurden zu viele vereinfachende Annahmen getroffen. Wenn durch das Hinzufügen weiterer Details zu einem Modell wenig Vorhersagewert gewonnen wird, ist es wahrscheinlich zu komplex. Schauen wir uns verschiedene Typen von Modellen aus verschiedenen Disziplinen an und zeigen ihre vereinfachenden Annahmen auf.

Ein Beispiel aus der Physik: ein Block auf einer reibungsfreien Ebene

Abbildung 1. Eine Linienzeichnung, die einen Block (aus einem beliebigen Material) modelliert, der auf einer generischen Neigungsebene sitzt. In diesem Beispiel einige vereinfachend Annahmen werden hergestellt. Beispielsweise werden die Details der Materialien des Blocks und der Ebene ignoriert. Oft können wir auch der Einfachheit halber annehmen, dass das Flugzeug reibungslos ist. Die vereinfachende Annahmen Lassen Sie den Schüler üben, darüber nachzudenken, wie die auf den Block wirkenden Kräfte ausgeglichen werden können, wenn er in einem Schwerkraftfeld angehoben wird, und zu sehen, dass die Oberfläche, auf der er sitzt, nicht senkrecht zum Schwerkraftvektor ist (mg). Dies vereinfacht die Mathematik und ermöglicht es dem Schüler, sich auf die Geometrie des Modells zu konzentrieren und diese mathematisch darzustellen. Das Modell und seine vereinfachende Annahmen, könnte das Verhalten eines Eiswürfels, der eine gläserne Neigungsebene hinunterrutscht, ziemlich gut vorhersagen, würde jedoch wahrscheinlich das Verhalten eines nassen Schwamms auf einer mit Sandpapier beschichteten Neigungsebene schlecht vorhersagen. Für das letztere Szenario wäre das Modell zu stark vereinfacht.

Quelle: Erstellt von Marc T. Facciotti (Eigenes Werk)

Ein Beispiel aus der Biologie: ein Banddiagramm eines Proteins-TDas Transmembranprotein Bakteriorhodopsin

Figur 2. Dies ist ein Cartoon-Modell des Transmembranproteins Bacteriorhodopsin. Das Protein wird als hellblaues und violettes Band dargestellt (die verschiedenen Farben heben Alpha-Helix bzw. Beta-Faltblatt hervor), ein Chlorid-Ion wird als gelbe Kugel dargestellt, rote Kugeln repräsentieren Wassermoleküle, rosa Kugeln und Stäbchen repräsentieren ein Netzhautmolekül auf der "Innenseite" des Proteins und orangefarbene Kugeln und Stäbchen repräsentieren andere Lipidmoleküle, die sich auf der "äußeren" Oberfläche des Proteins befinden. Das Modell wird in zwei Ansichten angezeigt. Auf der linken Seite ist das Modell "side on" zu sehen, während es auf der rechten Seite entlang seiner Längsachse von der extrazellulären Seite des Proteins aus betrachtet wird (um 90 Grad aus der Seite herausgedreht aus der Ansicht auf der linken Seite). Dieses Modell vereinfacht viele Details des Proteins auf atomarer Ebene. Es kann auch nicht die Dynamik des Proteins darstellen. Die vereinfachende Annahmen bedeutet, dass das Modell keine gute Arbeit leisten würde, um vorherzusagen, wie lange das Protein für seine Arbeit benötigt oder wie viele Protonen pro Sekunde durch eine Membran transportiert werden können. Andererseits kann dieses Modell sehr gut vorhersagen, wie viel Platz das Protein in einer Zellmembran einnehmen wird, wie weit die Netzhaut in der Membran sitzt oder ob bestimmte Verbindungen vernünftigerweise durch den inneren Kanal „lecken“ können.

Quelle: Erstellt von Marc T. Facciotti (eigene Arbeit), University of California, Davis
Abgeleitet von PDBID:4FPD

Ein Beispiel aus der Chemie: ein Moleküllinienmodell von Glucose

Figur 3. Eine Strichzeichnung eines Glukosemoleküls. Konventionell werden die Punkte, an denen sich gerade Linien treffen, als Kohlenstoffatome verstanden, während andere Atome explizit gezeigt werden. Angesichts einiger zusätzlicher Informationen über die Natur der hier bildlich dargestellten Atome kann dieses Modell nützlich sein, um einige der chemischen Eigenschaften dieses Moleküls vorherzusagen, einschließlich der Löslichkeit oder der möglichen Reaktionen, die es mit anderen Molekülen eingehen könnte. Die vereinfachende Annahmen, jedoch die Dynamik der Moleküle verbergen.

Quelle: Erstellt von Marc T. Facciotti (Eigenes Werk)

Ein Beispiel aus dem Alltag: ein maßstabsgetreues Modell eines Ferrari

Figur 4. Ein maßstabsgetreues Modell eines Ferrari. Es gibt viele Vereinfachungen und die meisten machen dies nur für die Vorhersage der allgemeinen Form und der relativen Proportionen der realen Sache nützlich. Dieses Modell gibt uns beispielsweise keine Vorhersagekraft darüber, wie gut das Auto fährt oder wie schnell es ab einer Geschwindigkeit von 70 km/s stoppt.

Quelle: Erstellt von Marc T. Facciotti (Eigenes Werk)

Hinweis: mögliche Diskussion

Beschreiben Sie ein physikalisches Modell, das Sie im Alltag verwenden. Was vereinfacht das Modell von der Realität?

Hinweis: mögliche Diskussion

Beschreiben Sie eine Zeichnung, die Sie im naturwissenschaftlichen Unterricht verwenden, um etwas Reales zu modellieren. Was vereinfacht das Modell von der Realität? Was sind die Vor- und Nachteile der Vereinfachungen?

Die kugelförmige Kuh

Die kugelförmige Kuh ist eine berühmte Metapher in der Physik, die sich über die Tendenzen von Physikern lustig macht, stark vereinfachte Modelle für sehr komplexe Dinge zu erstellen. Mit dieser Metapher sind zahlreiche Witze verbunden, die ungefähr so ​​lauten:

„Die Milchproduktion auf einem Milchviehbetrieb war gering, daher schrieb der Landwirt an die örtliche Universität und bat die Wissenschaft um Hilfe. Ein multidisziplinäres Team von Professoren wurde zusammengestellt, das von einem theoretischen Physiker geleitet wurde, und es fanden zwei Wochen intensiver Untersuchungen vor Ort statt.“ Die Stipendiatinnen und Stipendiaten kehrten dann, mit Daten vollgestopfte Hefte, an die Universität zurück, wo das Schreiben des Berichts dem Teamleiter überlassen wurde. Kurz darauf kehrte der Physiker auf den Hof zurück und sagte zum Bauern: "Ich habe die Lösung, aber sie" funktioniert nur bei kugelförmigen Kühen im Vakuum."

Quelle: Wikipedia-Seite zu Spherical Cow – abgerufen am 23. November 2015.

Abbildung 5. Eine Karikaturdarstellung einer kugelförmigen Kuh.
Quelle: https://upload.wikimedia.org/wikiped.../d2/Sphcow.jpg
Von Ingrid Kallick (Eigenes Werk) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) oder CC BY 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/3.0)], über Wikimedia Commons

Die kugelförmige Kuh ist eine amüsante Möglichkeit, den Prozess der Erstellung einfacher Modelle lächerlich zu machen, und es ist sehr wahrscheinlich, dass Ihr BIS2A-Lehrer den Hinweis auf die kugelförmige Kuh ruft, wenn ein zu vereinfachtes Modell von etwas in der Biologie diskutiert wird. Seien Sie bereit dafür!

Begrenzungs- oder asymptotische Analyse

In BIS2A verwenden wir häufig Modelle. Manchmal stellen wir uns auch gerne vor oder testen, wie gut unsere Modelle die Realität darstellen, und vergleichen dies mit Erwartungen aus dem, was wir für die reale Sache wissen. Es gibt viele Möglichkeiten, dies zu tun, je nachdem, wie genau Sie das Verhalten des Dings kennen müssen, das Sie modellieren möchten. Wenn Sie viele Details wissen müssen, erstellen Sie ein detailliertes Modell. Wenn Sie mit weniger Details leben möchten, erstellen Sie ein einfacheres Modell. Neben der Bewerbung vereinfachende Annahmen, ist es oft nützlich, Ihr Modell mit einer Technik zu bewerten, die wir nennen begrenzend oder asymptotische Analyse. Die Hauptidee dieser Technik besteht darin, das Modell zu verwenden, komplett mit vereinfachende Annahmen, um zu verstehen, wie sich das reale Ding unter extremen Bedingungen verhalten könnte (z. B. das Modell bei den minimalen und maximalen Werten einer Variablen auswerten). Sehen wir uns ein einfaches Beispiel aus dem wirklichen Leben an, wie diese Technik funktioniert.

Beispiel: Begrenzung

Problemeinstellung
Stellen Sie sich vor, Sie müssen Davis, CA, verlassen und übers Wochenende nach Selma, CA, zurückkehren. Es ist 17:00 Uhr und du hast deinen Eltern gesagt, dass du um 18:30 Uhr zu Hause bist. Selma ist 200 Meilen (322 km) von Davis entfernt. Sie machen sich Sorgen, dass Sie es nicht rechtzeitig nach Hause schaffen. Können Sie einschätzen, ob es überhaupt möglich ist oder ob Sie Ihr Abendessen in der Mikrowelle aufwärmen?

Erstellen eines vereinfachten Modells und Verwendung von Begrenzungen
Sie können ein vereinfachtes Modell erstellen. In diesem Fall können Sie davon ausgehen, dass die Straße zwischen Davis und Selma vollkommen gerade ist. Sie gehen auch davon aus, dass Ihr Auto nur zwei Geschwindigkeiten hat: 0 Meilen pro Stunde und 120 Meilen pro Stunde. Diese beiden Geschwindigkeiten sind die minimalen und maximalen Geschwindigkeiten, die Sie fahren können – die Begrenzungswerte. Sie können jetzt abschätzen, dass Sie selbst unter Annahmen des theoretisch „best case“-Szenarios, bei dem Sie auf einer vollkommen geraden Straße ohne Hindernisse oder Verkehr mit Höchstgeschwindigkeit fahren würden, nicht rechtzeitig nach Hause kommen. Bei Höchstgeschwindigkeit würden Sie in den 1,5 Stunden nur 180 der erforderlichen 200 Meilen zurücklegen.

Interpretation
In diesem realen Beispiel wird ein vereinfachtes Modell erstellt. In diesem Fall eine sehr wichtige vereinfachende Annahmen gemacht: Es wird angenommen, dass die Straße gerade und frei von Hindernissen oder Verkehr ist. Diese Annahmen ermöglichen es Ihnen, vernünftigerweise davon auszugehen, dass Sie diese Straße über die gesamte Distanz mit voller Geschwindigkeit fahren könnten. Die vereinfachende Annahmen vereinfacht, vieles von dem, was Sie wissen, gibt es in der realen Welt, das die Geschwindigkeit, die Sie reisen könnten, und damit auch die Zeit, die Sie für die Reise benötigen würden, beeinflussen würde. Die Verwendung von Bounding – oder die Berechnung des Verhaltens bei minimaler und maximaler Geschwindigkeit – ist eine Möglichkeit, schnelle Vorhersagen darüber zu treffen, was in der realen Welt passieren könnte.

Ähnliche Analysen werden wir in BIS2A durchführen.

Die Bedeutung der Kenntnis der wichtigsten Modellannahmen

Zu wissen, welche vereinfachenden Annahmen in einem Modell gemacht werden, ist entscheidend, um zu beurteilen, wie nützlich es für die Vorhersage des realen Lebens ist, und um eine Vermutung anzustellen, wo das Modell verbessert werden muss, wenn es nicht ausreichend vorhersagbar ist. In BIS2A werden Sie regelmäßig aufgefordert, verschiedene Typen von Modellen zu erstellen und die vereinfachende Annahmen und die Auswirkung dieser Annahmen auf den Nutzen und die Vorhersagefähigkeit des Modells. Wir werden auch Modelle zusammen mit verwenden begrenzend Übungen, um zu versuchen, etwas über das potenzielle Verhalten eines Systems zu lernen.

Die wissenschaftliche Methode: Überblick

Ein Beispiel für eine zu starke Vereinfachung, das viele Biologiestudenten (insbesondere zu Beginn ihres Studiums) verwirrt, ist die Verwendung von Sprache, die den experimentellen Prozess des Wissensaufbaus verbirgt. Der Zweckmäßigkeit halber erzählen wir oft Geschichten über biologische Systeme, als würden wir unbestreitbare Tatsachen präsentieren. Während wir jedoch oft mit einer Überzeugung über Themen in der Biologie schreiben und sprechen, die den Anschein von "sachlichem" Wissen erweckt, ist die Realität oft nuancierter und mit erheblichen Unsicherheiten gefüllt. Die "sachliche" Präsentation von Material (in der Regel ohne Diskussion von Beweisen oder Vertrauen in die Beweise) spielt mit unserer natürlichen Tendenz, sich beim "Wissen" von Dingen gut zu fühlen, aber sie neigt dazu, ein falsches Gefühl der Sicherheit des Wissensstandes zu erzeugen und tut es auch wenig, um die Vorstellungskraft oder die Entwicklung kritischen Denkens zu fördern.

Ein besserer Weg, unser Wissen über die Natur zu beschreiben, wäre, explizit zu qualifizieren, dass das, was wir in der Wissenschaft als "wahr" kennen, nur unser derzeitiges bestes Verständnis eines Themas darstellt; ein Verständnis, das noch nicht durch Experimente widerlegt wurde. Leider wird eine wiederholte Qualifizierung ziemlich umständlich. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass das gesamte Wissen, das wir im Unterricht besprechen, nur das Beste aus unserem gegenwärtigen Verständnis darstellt, auch wenn wir dies nicht ausdrücklich sagen. Einige Ideen haben wiederholten und vielfältigen Experimenten standgehalten, während andere Themen noch genauso gründlich getestet werden müssen. Wenn wir uns also bei Dingen nicht so sicher sind, wie wir manchmal glauben möchten, woher wissen wir dann, worauf wir vertrauen und wo wir skeptisch sein sollten? Die vollständige Antwort ist nicht trivial, aber sie beginnt mit der Entwicklung eines Verständnisses der Prozess Wir verwenden in der Wissenschaft, um neues Wissen aufzubauen. Die wissenschaftliche Methode ist die

Prozess

durch die neues Wissen entwickelt wird. Während der Prozess mit langen Listen von "Schritten" beschrieben werden kann (oft in Lehrbüchern zu sehen), können seine Kernelemente prägnanter beschrieben werden.

Kurze Beschreibung der wissenschaftlichen Methode (nach Feynman)

  1. Machen Sie eine Beobachtung über die Welt.
  2. Schlagen Sie eine mögliche Erklärung für die Beobachtung vor.
  3. Testen Sie die Erklärung durch Experiment.
  4. Wenn die Erklärung nicht mit dem Experiment übereinstimmt, ist die Erklärung falsch.

Im Kern ist es das! In der Wissenschaft kann es mehrere, gleichzeitig vorgeschlagene Erklärungen oder Ideen geben, die durch Experimente getestet werden. Die Ideen, die beim Experimentieren scheitern, werden zurückgelassen. Die Ideen, die das Experimentieren überleben, schreiten voran und werden oft durch alternative Experimente erneut getestet, bis auch sie entweder scheitern oder weiter beibehalten werden.

Eine Beobachtung machen und eine Frage stellen

Die Fähigkeit, nützliche Beobachtungen zu machen und/oder sinnvolle Fragen zu stellen, erfordert Neugier, Kreativität und Vorstellungskraft – dies kann nicht überbewertet werden. Tatsächlich ist es historisch gesehen in erster Linie die Anwendung dieser Fähigkeiten, vielleicht mehr als technische Fähigkeiten, die zu großen Fortschritten in der Wissenschaft geführt haben. Viele Leute denken, dass sinnvolle Beobachtungen und nützliche Fragen der einfachste Teil der wissenschaftlichen Methode sind. Dies ist nicht immer der Fall. Wieso den? Zu sehen, was andere noch nicht gefragt haben, und Kreativität erfordert Arbeit und nachdenkliche Reflexion! Darüber hinaus ist unser Beobachtungssinn oft durch Lebenserfahrung, Vorwissen oder sogar unsere eigene Biologie beeinflusst. Diese zugrunde liegenden Vorurteile beeinflussen, wie wir die Welt sehen, wie wir das, was wir sehen, interpretieren und worauf wir letztendlich neugierig sind. Das bedeutet, dass wir beim Betrachten der Welt viele Dinge übersehen können, die tatsächlich direkt vor unserer Nase liegen. Douglas Adams, bekannt für sein Buch mit dem Titel Per Anhalter durch die Galaxis, einmal in diesem Punkt erweitert, indem man schreibt:

"Die irreführendsten Annahmen sind diejenigen, von denen Sie nicht einmal wissen, dass Sie sie machen."

Wissenschaftler müssen sich daher aller zugrunde liegenden Verzerrungen und Annahmen bewusst sein, die beeinflussen können, wie sie Beobachtungen verinnerlichen und interpretieren. Dazu gehört, dass wir uns unserer Voreingenommenheit annähern, dass die Vielfalt der Orte, an denen wir unser Wissen beziehen (d. h. Lehrbücher, Lehrer, das Internet), die absolute Wahrheit mit einer gesunden Portion Skepsis darstellen. Wir müssen lernen, die Beweise zu untersuchen, die den „Fakten“ zugrunde liegen, die wir angeblich kennen, und kritische Urteile darüber fällen, wie sehr wir diesem Wissen vertrauen. Ganz allgemein ist es daher sinnvoll, sich die Zeit zu nehmen, sorgfältige Beobachtungen zu machen und alle Annahmen und Vorurteile aufzudecken, die ihre Interpretation beeinflussen könnten. Diese Fähigkeit muss wie alle anderen entwickelt und geübt werden. Wir werden versuchen, Sie in BIS2A damit zu beginnen.

Zum Spaß und um deine Beobachtungsfähigkeiten zu testen, Google "Beobachtungstests". Viele der Suchergebnisse führen Sie zu interessanten psychologischen Tests und/oder Videos, die veranschaulichen, wie schwierig eine genaue Beobachtung sein kann.

Generieren einer überprüfbaren Hypothese

Die in Schritt drei oben erwähnte "mögliche Erklärung" hat einen formalen Namen; es heißt a Hypothese. Eine Hypothese ist keine zufällige Vermutung. Eine Hypothese ist eine fundierte (auf Vorkenntnissen oder einem neuen Standpunkt basierende) Erklärung für ein Ereignis oder eine Beobachtung. Es ist normalerweise am nützlichsten, wenn eine wissenschaftliche Hypothese getestet werden kann. Dies erfordert, dass die Werkzeuge vorhanden sind, um aussagekräftige Messungen an dem System durchzuführen, und dass der Experimentator ausreichende Kontrolle über das fragliche System hat, um die notwendigen Beobachtungen zu machen.

Meistens kann das Verhalten des Systems, das der Experimentator testen möchte, von vielen Faktoren beeinflusst werden. Wir nennen die Verhaltensweisen und Faktoren abhängige bzw. unabhängige Variablen. Die abhängige Variable ist das erklärungsbedürftige Verhalten, während die unabhängigen Variablen all die anderen Dinge sind, die das Verhalten der abhängigen Variablen ändern und beeinflussen können. Beispielsweise möchte ein Experimentator, der ein neues Medikament zur Kontrolle des Blutdrucks entwickelt hat, möglicherweise testen, ob sein neues Medikament tatsächlich den Blutdruck beeinflusst. In diesem Beispiel ist das System der menschliche Körper, die abhängige Variable könnte der Blutdruck sein, und die unabhängigen Variablen könnten andere Faktoren sein, die den Blutdruck verändern und beeinflussen, wie Alter, Geschlecht und Spiegel verschiedener löslicher Faktoren im Blutkreislauf.

Notiz

In BIS2A und darüber hinaus vermeiden wir es, Ausdrücke wie „das Experiment bewies ihre Hypothese“ zu verwenden, wenn wir uns auf einen Fall wie das obige Blutdruckbeispiel beziehen. Vielmehr würden wir sagen: „Das Experiment stimmt mit ihrer Hypothese überein“. Beachten Sie, dass wir die Alternativhypothese der Einfachheit halber einfach als „ihre Hypothese“ bezeichnet haben! Richtiger wäre zu sagen: „Das Experiment hat ihre Nullhypothese falsifiziert und stimmt mit ihrer Alternativhypothese überein“. Warum diese Abkürzung nehmen, da dies zu Verwirrung führt, wenn ein Schüler versucht zu lernen? In diesem Fall wurde dies getan, um den obigen Punkt zu den Sprachkürzeln und damit die lange Erklärung zu veranschaulichen. Beachten Sie jedoch diese häufig verwendete Abkürzung und stellen Sie sicher, dass Sie die richtige Bedeutung selbst lesen können.

Hinweis: mögliche Diskussion

Was bedeutet die Aussage zur Hypothesenfalsifizierung in Ihren eigenen Worten? Warum ist die Falsifikation für die wissenschaftliche Methode entscheidend?

Kontrollen

Im Idealfall umfasst ein Experiment Kontrollgruppen. Kontrollgruppen sind Versuchsbedingungen, bei denen die Werte der unabhängigen Variablen (es kann mehr als eine geben) mit Ausnahme der getesteten unabhängigen Variablen so nahe wie in der Versuchsgruppe gehalten werden. Im Blutdruckbeispiel wäre ein ideales Szenario eine identische Gruppe von Personen, die das Medikament einnehmen, und eine andere Gruppe von Personen, die mit denen in der Versuchsgruppe identisch sind, die eine Pille einnehmen, die etwas enthält, von dem bekannt ist, dass es den Blutdruck nicht beeinflusst. In diesem stark vereinfachten Beispiel sind alle unabhängigen Variablen in der Kontroll- und Versuchsgruppe identisch, mit Ausnahme des Vorhandenseins oder Fehlens des neuen Arzneimittels. Unter diesen Umständen kann man, wenn der Wert der abhängigen Variablen (Blutdruck) der Versuchsgruppe von dem der Kontrollgruppe abweicht, vernünftigerweise folgern, dass der Unterschied auf den Unterschied in der unabhängigen Variablen (das Vorhandensein/Fehlen der Arzneimittel). Das ist natürlich das Ideal. Im wirklichen Leben ist es unmöglich, das vorgeschlagene Medikamentendosierungsexperiment durchzuführen; die bloße Zahl möglicher unabhängiger Variablen in einer Gruppe potenzieller Patienten wäre hoch. Während Statistiker im wirklichen Leben zur Rettung gekommen sind, müssen Sie die Nuancen dieser statistischen Probleme in BIS2A glücklicherweise nicht verstehen.

Messgenauigkeit, Unsicherheit und Replikation

Schließlich erwähnen wir die intuitive Vorstellung, dass die Werkzeuge, die verwendet werden, um die Messungen in einem Experiment durchzuführen, einigermaßen genau sein müssen. Wie genau? Sie müssen genau genug sein, um Messungen mit ausreichender Sicherheit durchführen zu können, um Rückschlüsse darauf zu ziehen, ob Änderungen unabhängiger Variablen den Wert einer abhängigen Variablen tatsächlich beeinflussen. Nehmen wir noch einmal das obige Blutdruckbeispiel. In diesem Experiment gingen wir von der wichtigen Annahme aus, dass die Experimentatorin über Werkzeuge verfügte, die es ihr ermöglichten, genaue Messungen der mit den Wirkungen des Medikaments verbundenen Blutdruckänderungen durchzuführen. Wenn beispielsweise die mit dem Medikament verbundenen Veränderungen zwischen 0 und 3 mmHg lagen und ihr Messgerät in der Lage wäre, Blutdruckänderungen mit einer Sicherheit von +/- 5 mmHg zu messen, hätte sie die notwendigen Messungen nicht durchführen können, um ihre Hypothese zu testen, oder sie hätte versäumt die Wirkung des Medikaments sehen. Als Beispiel nehmen wir an, dass sie ein besseres Instrument hatte und sicher sein konnte, dass alle von ihr gemessenen Veränderungen tatsächlich Unterschiede aufgrund der medikamentösen Behandlung waren und nicht auf Messfehler und Variabilität von Probe zu Probe zurückzuführen waren , oder andere Variationsquellen, die das Vertrauen der Schlussfolgerungen, die aus dem Experiment gezogen werden, verringern.

Das Thema Messfehler lässt uns erwähnen, dass es zahlreiche andere mögliche Unsicherheitsquellen in experimentellen Daten gibt, die Sie als Schüler letztendlich kennen lernen müssen. Diese Fehlerquellen haben viel damit zu tun, wie sicher wir sind, dass Experimente eine Hypothese widerlegt haben, wie sehr wir der Interpretation der experimentellen Ergebnisse und damit auch unserem aktuellen Wissensstand vertrauen sollten. Schon in dieser Phase werden Sie einige experimentelle Strategien erkennen, die verwendet werden, um mit diesen Unsicherheitsquellen umzugehen (z. B. Messungen an mehreren Proben durchführen, Wiederholungsexperimente erstellen). Mehr dazu erfahren Sie später in Ihren Statistikkursen.

Vorerst sollten Sie sich jedoch bewusst sein, dass Experimente ein gewisses Vertrauen in die Ergebnisse haben und dass das Vertrauen in die Ergebnisse von vielen Faktoren beeinflusst werden kann. Gesunde Skepsis zu entwickeln bedeutet unter anderem, die Qualität eines Experiments und die Interpretation der Ergebnisse einzuschätzen und zu lernen, solche Fragen zu stellen.

Hinweis: mögliche Diskussion

Nachdem Sie nach Kalifornien gezogen sind, um an der UC Davis zu studieren, haben Sie sich in frische Tomaten verliebt. Sie entscheiden, dass die Tomaten in den Läden einfach nicht richtig schmecken und beschließen, Ihre eigenen anzubauen.

Sie pflanzen überall in Ihrem Garten Tomatenpflanzen an; Jeder freie Platz hat jetzt einen frisch gepflanzten Tomatensetzling der gleichen Sorte. Sie haben Tomaten in voller Sonne in den Boden gepflanzt und neben Ihrem Haus im vollen Schatten.

Überwachung: Nach dem ersten Erntejahr machen Sie die Überwachung dass die Pflanzen im Vollschatten fast immer kürzer erscheinen als die in der vollen Sonne. Sie denken, dass Sie eine vernünftige Erklärung (Hypothese) für diese Beobachtung haben.

Basierend auf den obigen Informationen stellen Sie die folgende Hypothese auf, um die Höhenunterschiede zu erklären, die Sie bei Ihren Tomaten festgestellt haben:

Hypothese: Die Höhe, die meine Tomatenpflanzen erreichen, korreliert positiv mit der Menge an Sonnenlicht, der sie ausgesetzt sind (z. B. je mehr Sonne die Pflanze bekommt, desto höher wird sie).

Diese Hypothese ist überprüfbar und falsifizierbar. Also beschließt du im nächsten Sommer, deine Hypothese zu testen.

Diese Hypothese ermöglicht es Ihnen auch, eine Vorhersage zu treffen. In diesem Fall könnten Sie vorhersagen, dass, WENN Sie eine Reihe von Tomaten im sonnigen Teil des Gartens beschatten würden, diese Pflanzen kürzer wären als ihre vollsonnigen Nachbarn.

Sie entwerfen ein Experiment, um Ihre Hypothese zu testen, indem Sie dieselbe Tomatensorte kaufen, die Sie im Vorjahr gepflanzt haben, und Ihren ganzen Garten erneut pflanzen. In diesem Jahr entscheiden Sie sich jedoch für zwei verschiedene Dinge:

  1. Sie erstellen eine Schattenstruktur, die Sie im sonnigen Teil Ihres Gartens über einer kleinen Untergruppe von Pflanzen platzieren.
  2. Sie bauen eine Vorrichtung mit Spiegeln, die etwas Sonnenlicht auf eine kleine Untergruppe von Pflanzen lenkt, die sich im schattigen Teil des Gartens befinden.

Frage 1: Wir haben oben eine Abkürzung verwendet. Können Sie Aussagen sowohl für die Null- als auch für die Alternativhypothese erstellen? Arbeiten Sie dazu mit Ihren Mitschülern zusammen.

Frage 2: Warum erstellen Sie eine Schattenstruktur? Was ist dieser Test? Was wird aufgrund Ihrer Hypothese mit den Pflanzen unter der Schattenstruktur passieren?

Frage 3: Warum erstellen Sie die Spiegelvorrichtung? Warum benötigen Sie möglicherweise diese Vorrichtung, wenn Sie bereits die Schattenstruktur haben?

Neue Daten: Am Ende des Sommers messen Sie die Höhe Ihrer Tomatenpflanzen und stellen wieder einmal fest, dass die Pflanzen im sonnigen Teil des Gartens tatsächlich höher sind als die im schattigen Teil des Gartens. Sie bemerken jedoch, dass es keinen Höhenunterschied zwischen den Pflanzen unter Ihrem Schattenbau und denen direkt neben dem Bau in voller Sonne gibt. Außerdem stellen Sie fest, dass die Pflanzen im schattigen Teil des Gartens alle ungefähr gleich hoch sind, einschließlich derer, die über Ihr Spiegelgerät mit zusätzlichem Licht beschienen wurden.

Frage 4: Zu welchem ​​Schluss führt dieses Experiment? Was würden Sie als nächstes versuchen?

Frage 5: Stellen Sie sich ein alternatives Szenario vor, in dem Sie wie zuvor festgestellt haben, dass die Pflanzen im sonnigen Teil des Gartens alle gleich hoch waren (auch die unter Ihrer Schattenstruktur), aber dass die Pflanzen im schattigen Teil des Gartens „zusätzlich“ wurden “ Das Licht Ihrer Spiegelvorrichtung wurde größer als ihre unmittelbaren Nachbarn. Was würde das über Ihre Alternativhypothese sagen? Nullhypothese? Was würden Sie als nächstes tun?

Frage 6: Welche Annahmen treffen Sie bezüglich der Fähigkeit, Messungen in diesem Experiment durchzuführen? Welchen Einfluss könnten diese Annahmen auf Ihre Interpretation der Ergebnisse haben?

In diesem Kurs werden Sie gelegentlich gebeten, Hypothesen aufzustellen, Daten zu interpretieren und Experimente mit geeigneten Kontrollen zu entwerfen. All diese Fähigkeiten erfordern Übung, um sie zu beherrschen – wir können damit beginnen, sie in BIS2A zu üben. Auch wenn wir nicht erwarten, dass Sie nach der Lektüre dieses Textes Meister sind, gehen wir davon aus, dass Sie diesen Text in der ersten Woche gelesen haben und die damit verbundenen Konzepte für Sie nicht völlig neu sind. Sie können jederzeit zu diesem Text zurückkehren, um sich aufzufrischen.

Haftungsausschluss

Während die vorangegangene Behandlung der experimentellen Methode sehr grundlegend ist – Sie werden diese Grundideen zweifellos im weiteren Verlauf Ihres Studiums noch weiter verfeinern – sollte sie als ausreichende Einführung in das Thema für BIS2A dienen. Der wichtigste Punkt in diesem Abschnitt ist, dass das in diesem Kurs dargestellte Wissen, obwohl es manchmal versehentlich als unwiderlegbare Tatsache dargestellt wird, in Wirklichkeit nur die aktuellste Hypothese darüber ist, wie bestimmte Dinge in der Biologie passieren, die noch durch Experimente gefälscht werden muss.

Die Design-Challenge

Ihre BIS2A-Lehrer haben etwas entwickelt, das wir „The Design Challenge“ nennen, um uns dabei zu helfen, die Themen, die wir im Kurs behandeln, aus einer Problemlösungs- und/oder Designperspektive zu betrachten. Dieses Lehrmittel hilft uns:

• eine Geisteshaltung oder Herangehensweise an das Material entwickeln und
• Entwerfen Sie eine Reihe aufeinanderfolgender Schritte, die das Nachdenken über Kursthemen in einem Problemlösungskontext strukturieren.

Wie soll es funktionieren? Wenn wir im Unterricht auf ein Thema stoßen, ermutigt uns „The Design Challenge“, darüber auf folgende lösungsorientierte Weise nachzudenken:

  1. Identifizieren Sie das/die Problem(e) – dies kann das Identifizieren von „großen“ Problemen und deren Zerlegung in „kleinere“ verschachtelte Unterprobleme beinhalten
  2. Kriterien für erfolgreiche Lösungen festlegen
  3. Identifizieren und/oder stellen Sie sich mögliche Lösungen vor
  4. Bewerten Sie die vorgeschlagenen Lösungen anhand der Erfolgskriterien
  5. Wählen Sie eine Lösung

Durch die Verwendung der Struktur der Designherausforderung werden Themen, die typischerweise als Listen von Fakten und Geschichten präsentiert werden, in Rätsel oder Probleme umgewandelt, die gelöst werden müssen. Beispielsweise ist die Diskussion um das Thema Zellteilung durch ein Problem motiviert. Die Problemstellung kann lauten: „Die Zelle muss sich teilen“. Einige der Erfolgskriterien können sein, dass in jeder Tochterzelle eine nahezu identische Kopie der DNA vorhanden sein muss, die Organellen zwischen den Tochterzellen verteilt werden, damit jede lebensfähig bleibt usw. Dies würden als Unterprobleme für das größere „die Zelle muss“ betrachtet werden teilen“ Problem. Anschließend kann man die Herausforderungen untersuchen und versuchen, vorhandenes Wissen und Vorstellungskraft zu nutzen, um Lösungen für jedes dieser Probleme vorzuschlagen. Verschiedene Lösungen können bewertet und dann mit dem verglichen werden, was die Natur anscheinend getan hat (zumindest in den Fällen, die gut untersucht sind).

Diese Übung erfordert von uns Vorstellungskraft und kritisches Denken. Es ermutigt den Schüler und den Lehrer auch, kritisch darüber nachzudenken warum das jeweilige Thema ist wichtig zu studieren. Der Design-Challenge-Ansatz für den Biologieunterricht versucht, machen der Schüler und der Lehrer konzentrieren sich auf die wichtigen Kernfragen, die die Entwicklung des Wissens überhaupt vorangetrieben haben! Es ermutigt die Schüler auch, sich neue Ideen auszudenken und mit dem Material in einer eher frage-/problemzentrierten als „faktenzentrierten“ Weise zu interagieren. Der frage-/problemzentrierte Ansatz unterscheidet sich von dem, was die meisten Menschen gewohnt sind, aber er ist letztendlich nützlicher, um Fähigkeiten, mentale Rahmenbedingungen und Wissen zu entwickeln, die sich auf andere Probleme übertragen lassen, denen sie während ihres Studiums und darüber hinaus begegnen werden.

Beispiel

Das Leitproblem in BIS2A besteht beispielsweise darin, „How to build a cell“ zu verstehen. Dieses ziemlich komplexe Problem wird in mehrere kleinere Teilprobleme unterteilt, die Folgendes umfassen:

  • Erwerb der Bausteine, um zelluläre Teile aus der Umgebung zu konstruieren
  • die Energie zum Aufbau von Zellteilen aus der Umgebung gewinnen
  • Umwandlung der Bausteine ​​der Zelle zwischen verschiedenen Formen
  • Energieübertragung zwischen verschiedenen Speicherformen
  • aus einer alten Zelle eine neue Zelle erstellen
  • Probleme, die wir im Unterricht identifizieren

Während wir diese Teilprobleme untersuchen, werden wir manchmal einige der verschiedenen Wege untersuchen, in denen die Biologie jedes Problem angegangen ist. Wenn wir ins Detail gehen, lassen Sie uns jedoch sicherstellen, dass wir uns darauf konzentrieren und nicht vergessen, wie wichtig es ist, immer mit den Fragen / Problemen in Verbindung zu bleiben, die uns motiviert haben, über die Besonderheiten zu sprechen

Wissenschaftliche Methode vs. die Design-Herausforderung

An dieser Stelle denken Sie vielleicht: "Was ist der Unterschied zwischen der wissenschaftlichen Methode und der Design-Challenge-Rubrik und warum brauche ich beides?" Es ist keine ungewöhnliche Frage, also lassen Sie uns sehen, ob wir dies jetzt klären können.

Die Designherausforderung und die wissenschaftliche Methode sind beides Prozesse mit ähnlichen Qualitäten. Das entscheidende Unterscheidungsmerkmal ist jedoch der Zweck hinter jedem der Prozesse. Die wissenschaftliche Methode ist ein Verfahren zur Eliminierung möglicher Antworten auf Fragen. Ein typisches Szenario, in dem man die wissenschaftliche Methode anwenden könnte, würde bedeuten, dass jemand eine Beobachtung macht, mehrere Erklärungen vorschlägt, ein Experiment entwirft, das dazu beitragen könnte, eine oder mehrere der Erklärungen zu eliminieren, und über das Ergebnis nachdenkt. Im Gegensatz dazu dient der Designprozess der Erarbeitung von Problemlösungen. Ein typisches Szenario für die Designherausforderung würde mit einem Problem beginnen, das gelöst werden muss, Kriterien für eine erfolgreiche Lösung definieren, mehrere mögliche Lösungen entwickeln, die die Erfolgskriterien erfüllen, und entweder eine Lösung auswählen oder über Änderungen nachdenken, die an den Designs vorgenommen werden könnten, um Erfolgskriterien erfüllen. Ein wesentlicher operativer Unterschied besteht darin, dass die Designherausforderung die Definition von Erfolgskriterien erfordert, während dies bei der wissenschaftlichen Methode nicht der Fall ist.

Obwohl beide ähnlich sind, sind die Unterschiede immer noch real und wir müssen beide Prozesse üben. Wir werden behaupten, dass wir beide Prozesse im "realen Leben" die ganze Zeit verwenden. Eine Ärztin zum Beispiel verwendet beide Prozesse interaktiv, wenn sie Hypothesen aufstellt, die versuchen, festzustellen, was die Beschwerden ihrer Patienten verursachen könnte. Sie wird sich umdrehen und den Designprozess nutzen, um einen Behandlungsverlauf zu erstellen, der bestimmte Erfolgskriterien erfüllt. Ein Wissenschaftler mag tief in der Erstellung von Hypothesen sein, aber er wird schließlich einen Entwurfsprozess zum Aufbau eines Experiments verwenden müssen, das ihm innerhalb bestimmter definierbarer Erfolgskriterien bei der Beantwortung einer Frage hilft.

Beide Verfahren sind zwar ähnlich, können aber in unterschiedlichen Situationen eingesetzt werden, und wir möchten damit beginnen, in beiden besser zu werden.

Evolution und natürliche Selektion

Kurzübersicht

Evolution und natürliche Auslese sind Kernkonzepte der Biologie, die in der Regel herangezogen werden, um die Vielfalt und die Beziehungen zwischen dem Leben auf der Erde, sowohl vorhanden als auch ausgestorben, zu erklären. Glücklicherweise müssen Sie in BIS2A nur einige Kernideen im Zusammenhang mit Evolution und natürlicher Auslese verstehen und anwenden. Diese beschreiben wir im Folgenden. Sie erweitern Ihr Verständnis und fügen Details zu diesen Kernkonzepten in BIS2B und BIS2C hinzu.

Die erste Idee, die Sie verstehen müssen, ist, dass Evolution einfach als die Entwicklung/Veränderung von etwas im Laufe der Zeit definiert werden kann. In der Automobilindustrie kann man sagen, dass sich die Formen und Merkmale von Autos entwickeln (Zeitveränderung). In der Mode kann man sagen, dass sich der Stil entwickelt. In der Biologie, dem Leben und insbesondere reproduzierende Populationen von Organismen mit verschiedene Eigenschaften sich entwickeln.

Die zweite Sache, die man verstehen muss, ist, dass die natürliche Selektion ein Prozess ist, durch den die Natur Organismen in einer Population filtert. Was ist der Filter? Hier wird es etwas komplizierter (aber nur ein wenig). Die einfachste Erklärung ist, dass der selektive Filter nur eine Kombination aller lebenden und nicht lebenden Faktoren in einer Umgebung ist, die beeinflussen, wie erfolgreich sich ein Organismus fortpflanzen kann. Die Faktoren, die die Fortpflanzungsfähigkeit eines Organismus beeinflussen, sind bekannt als selektiver Druck. Eine kleine, aber wichtige Komplikation besteht darin, dass diese Faktoren nicht überall gleich sind; sie ändern sich zeitlich und ortsabhängig. Daher ändern sich die selektiven Drücke, die den Filter erzeugen, ständig (manchmal schnell, manchmal langsam) und Organismen im gleichen reproduzieren Population zu verschiedenen Zeiten und an verschiedenen Orten unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sein könnten.

Die Evolutionstheorie durch natürliche Auslese fasst diese beiden Ideen zusammen; es legt fest, dass sich die Biologie im Laufe der Zeit verändert und dass die Variation in einer Population ständig einer Selektion unterzogen wird, die darauf basiert, wie Unterschiede in den Merkmalen die Fortpflanzung beeinflussen. Aber was sind das für Eigenschaften oder Züge? Welche Eigenschaften/Merkmale/Funktionen können ausgewählt werden? Die kurze Antwort lautet: Fast alles, was mit einem Organismus in Verbindung steht, bei dem es in einer Population Variationen gibt und bei denen diese Variation zu einer unterschiedlichen Wahrscheinlichkeit führt, Nachkommen zu erzeugen, wird wahrscheinlich durch natürliche Selektion gefiltert. Wir nennen diese Eigenschaften auch erblich Phänotypen. Organismen in einer Population mit Phänotypen, die es ihnen ermöglichen, den selektiven Filter effizienter zu passieren als andere, werden als a . bezeichnet selektiver Vorteil und/oder mehr Fitness.

Es ist wichtig zu wiederholen, dass die von einzelnen Organismen getragenen Phänotypen zwar einer Selektion unterliegen, der Prozess der Evolution durch natürliche Selektion jedoch sowohl erfordert als auch darauf wirkt phänotypische Variation innerhalb Bevölkerungen. Wenn weder Variationen noch Populationen existieren, in denen diese Variation vorkommen kann, besteht keine Möglichkeit oder Notwendigkeit für eine Auswahl. Alles ist und bleibt gleich.

Häufige Missverständnisse und ein kursspezifischer Hinweis

Abschließend möchten wir Sie auf einen kritischen Punkt und häufige Missverständnisse unter Studienanfängern in Biologie aufmerksam machen. Dieses Missverständnis kann entstehen, wenn wir uns zu Diskussionszwecken dazu entschließen, die Natur zu vermenschlichen, indem wir ihr einen Intellekt verleihen. Zum Beispiel können wir versuchen, ein Beispiel für die Evolution durch natürliche Auslese zu schaffen, indem wir vorschlagen, dass ein Überschuss einer bestimmten Nahrung in einer Umgebung existiert und es in der Nähe einen Organismus gibt, der hungert. Es wäre richtig zu argumentieren, dass, wenn der Organismus diese Nahrung zu sich nehmen könnte, dies ihm einen selektiven Vorteil gegenüber anderen Organismen verschaffen könnte, die dies nicht können. Wenn wir später ein Beispiel für Organismen finden, die in der Lage sind, überschüssige Nahrung zu sich zu nehmen, könnte es verlockend sein zu sagen, dass sich die Natur entwickelt hat, um das Problem der überschüssigen Nahrung zu lösen. Der Evolutionsprozess durch natürliche Selektion geschieht jedoch zufällig und ohne Richtung. Das heißt, die Natur erkennt KEINE „Probleme“, die die Fitness einschränken. Die Natur identifiziert KEINE Merkmale, die einen Organismus erfolgreicher machen würden, und beginnt dann, verschiedene Lösungen zu entwickeln, die diesem Bedarf gerecht werden. Die Erzeugung von Variation ist nicht angeleitet. Variationen passieren und die natürliche Selektion filtert, was am besten funktioniert. Die Beobachtung, dass ein Organismus existiert, der die überschüssige Nahrung aufnehmen kann, spiegelt nicht die aktive Lösung eines Problems durch die Natur wider, sondern spiegelt vielmehr die Prozesse wider, die zu phänotypischen Variationen in einer Vorfahrenpopulation geführt haben, die – neben vielen anderen Varianten – einen Phänotyp geschaffen haben das erhöhte die Fitness (möglicherweise weil die Organismen der Vorfahren die überschüssige Nahrung aufnehmen konnten).

Dieser Punkt des vorherigen Absatzes ist im Kontext von BIS2A besonders wichtig, da wir die Design Challenge zum Verständnis der Biologie nutzen werden. Während die Design Challenge dazu beitragen soll, unsere Aufmerksamkeit auf ausgewählte Funktionen und ihre Beziehung zur Bestimmung der Fitness zu lenken, kann es leicht sein – wenn wir nicht aufmerksam sind – in eine Sprache zu verfallen, die darauf hindeutet, dass die Natur gezielt Lösungen entwirft, um bestimmte Probleme zu lösen . Denken Sie immer daran, dass wir rückblickend betrachten, was die Natur ausgewählt hat, und dass wir versuchen zu verstehen, warum ein bestimmter Phänotyp gegenüber vielen anderen Möglichkeiten ausgewählt wurde. Dabei werden wir nach besten Kräften (was manchmal falsch ist) einen vernünftigen Grund für die Erklärung, warum ein Phänotyp einen selektiven Vorteil gehabt haben könnte, ableiten oder Hypothesen aufstellen. Wir sagen NICHT, dass sich der Phänotyp entwickelt hat, um einen spezifischen Selektionsvorteil zu bieten. Der Unterschied zwischen diesen beiden Ideen mag subtil sein, aber er ist entscheidend!

Hinweis: mögliche Diskussion

Welche körperlichen Merkmale können Sie sich vorstellen, die bestimmten Arten einen selektiven Vorteil verschaffen? Unter welchen Bedingungen würde diese Eigenschaft diese Vorteile gewähren? Unter welchen Bedingungen könnte diese Eigenschaft ein selektiver Nachteil sein?

Hinweis: mögliche Diskussion

Die großen Sorten domestizierter Hunderassen, aus denen wir für die Gesellschaft auswählen können, sind auch das Ergebnis eines Evolutionsprozesses durch Auswahl. Ebenso ist die Entwicklung vieler sehr unterschiedlich aussehender Nutzpflanzen – Kohl, Rosenkohl, Kohlrabi, Grünkohl, Brokkoli und Blumenkohl – das Ergebnis der Evolution durch Selektion. In diesen beiden Fällen wird jedoch auf den Auswahl- oder Filterprozess verwiesen künstliche Selektion eher als natürliche Auslese. Diskutieren Sie, wie ähnlich und unterschiedlich künstliche und natürliche Selektion sind.

Hinweis: mögliche Diskussion

Wie beeinflussen umweltpolitische und politische Faktoren Fertigungsprozesse wie das Automobildesign? Mode? etc. Welche Aspekte ähneln der Evolution eines Organismus und welche unterscheiden sich?

Hinweis: mögliche Diskussion

Ein verwandtes, aber etwas anderes Missverständnis über die Evolution durch natürliche Selektion ist, dass dieser Prozess zur Schaffung der effizientesten Lösungen für Probleme führt. Was ist das Problem mit dieser Vorstellung?

Allgemeiner Ansatz für Biomolekültypen in BIS2A

Bevor du anfängst

Bitte lesen Sie bei Bedarf das Modul Design Challenge, um die Rubrik Design Challenge zu überprüfen.

Etwas Kontext und Motivation

Bei BIS2A geht es in erster Linie darum, ein funktionelles Verständnis einer biologischen Zelle zu entwickeln. Im Kontext eines Entwurfsproblems könnten wir sagen, dass wir das Problem des Aufbaus einer Zelle lösen wollen. Wenn wir diese große Aufgabe in kleinere Probleme zerlegen oder alternativ fragen, welche Arten von Dingen wir dafür verstehen müssen, wäre es vernünftig, zu dem Schluss zu kommen, dass es wichtig wäre, zu verstehen, woraus die Zelle besteht. Es reicht jedoch nicht aus, zu wissen, woraus die Zelle besteht. Wir müssen auch die EIGENSCHAFTEN der Materialien verstehen, aus denen die Zelle besteht. Dies erfordert, dass wir uns ein wenig mit der Chemie befassen – der Wissenschaft des "Stoffs" (der Materie), aus dem die Welt besteht, die wir kennen.

Diese Aussicht, über Molekularchemie und Thermodynamik zu sprechen, lässt manche Biologiestudenten ängstlich werden. Hoffentlich werden wir jedoch zeigen, dass viele der großen Anzahl biologischer Prozesse, die uns wichtig sind, direkt aus den chemischen Eigenschaften des "Stoffs" hervorgehen, aus dem das Leben besteht, und dass die Entwicklung eines funktionellen Verständnisses einiger grundlegender chemischer Konzepte enorm nützlich sein kann darüber nachzudenken, wie man Probleme in Medizin, Energie und Umwelt lösen kann, indem man sie im Kern angreift.

Bedeutung der chemischen Zusammensetzung

Als Student in BIS2A werden Sie aufgefordert, Makromoleküle anhand ihrer chemischen Zusammensetzung in Gruppen einzuteilen und anhand dieser Zusammensetzung auch auf einige ihrer Eigenschaften zu schließen. Zum Beispiel weisen Kohlenhydrate typischerweise mehrere Hydroxylgruppen auf. Hydroxylgruppen sind polare funktionelle Gruppen, die Wasserstoffbrückenbindungen bilden können. Daher können einige der biologisch relevanten Eigenschaften verschiedener Kohlenhydrate in gewisser Weise durch ein Gleichgewicht zwischen ihrer Neigung zur Bildung von Wasserstoffbrücken mit Wasser, sich selbst oder anderen Molekülen verstanden werden.

Struktur mit Funktion verknüpfen

Jedes Makromolekül spielt eine spezifische Rolle in der Gesamtfunktion einer Zelle. Die chemischen Eigenschaften und die Struktur eines Makromoleküls stehen in direktem Zusammenhang mit seiner Funktion. Beispielsweise kann die Struktur eines Phospholipids in zwei Gruppen zerlegt werden, eine hydrophile Kopfgruppe und eine hydrophobe Schwanzgruppe. Jede dieser Gruppen spielt nicht nur beim Aufbau der Zellmembran eine Rolle, sondern auch bei der Selektivität von Substanzen, die die Membran passieren können/können.

Die Struktur eines Atoms

Abbildung 1. Atome sind die Bausteine ​​von Molekülen im Universum – Luft, Boden, Wasser, Gestein – und auch die Zellen aller lebenden Organismen. In diesem Modell eines organischen Moleküls sind die Atome von Kohlenstoff (schwarz), Wasserstoff (weiß), Stickstoff (blau), Sauerstoff (rot) und Schwefel (gelb) in proportionaler Atomgröße dargestellt. Die Silberstäbe repräsentieren chemische Bindungen. (Kredit: Änderung der Arbeit von Christian Guthier)

Ein Atom ist die kleinste Einheit der Materie, die alle chemischen Eigenschaften eines Elements beibehält. Elemente sind Materieformen mit spezifischen chemischen und physikalischen Eigenschaften, die durch gewöhnliche chemische Reaktionen nicht in kleinere Stoffe zerlegt werden können.

Die in BIS2A diskutierte Chemie erfordert, dass wir ein Modell für ein Atom verwenden. Obwohl es komplexere Modelle gibt, geht das in diesem Kurs verwendete Atommodell vereinfachend davon aus, dass das Standardatom aus drei subatomaren Teilchen besteht, den Proton, das Neutron, und der Elektron. Protonen und Neutronen haben eine Masse von ungefähr einer atomaren Masseneinheit (a.m.u.). Eine atomare Masseneinheit ist ungefähr 1.660538921 x 10-27kg – ungefähr 1/12 der Masse eines Kohlenstoffatoms (genauerer Wert siehe Tabelle unten). Die Masse eines Elektrons beträgt 0,000548597 a.m.u. oder 9,1 x 10-31kg. Neutronen und Protonen befinden sich im Zentrum des Atoms in einer Region namens Kern während die Elektronen in Zonen, die als bezeichnet werden, um den Kern kreisen Orbitale, wie unten dargestellt. Die einzige Ausnahme von dieser Beschreibung ist das Wasserstoffatom (H), das aus einem Proton und einem Elektron ohne Neutronen besteht. Ein Atom wird einem . zugeordnet Ordnungszahl basierend auf der Anzahl der Protonen im Kern. Neutraler Kohlenstoff (C) hat beispielsweise sechs Neutronen, sechs Protonen und sechs Elektronen. Es hat eine Ordnungszahl von sechs und eine Masse von etwas mehr als 12 Uhr morgens.

Tabelle 1. Ladung, Masse und Lage subatomarer Teilchen

Protonen, Neutronen und Elektronen
AufladenMasse (m.m.u.)Masse (kg)Standort
Proton+1~11,6726 x 10-27Kern
Neutron0~11,6749 x 10-27Kern
Elektron–1~09,1094 x 10-31Orbitale

Tabelle 1 zeigt die Ladung und Position von drei subatomaren Teilchen – dem Neutron, Proton und Elektron. Atommasseneinheit = a.m.u. (alias Dalton [Da]) – dies ist definiert als etwa ein Zwölftel der Masse eines neutralen Kohlenstoffatoms oder 1.660538921 x 10−27 kg. Dies ist ungefähr die Masse eines Protons oder Neutrons.

Figur 2. Elemente, wie hier abgebildetes Helium, bestehen aus Atomen. Atome bestehen aus Protonen und Neutronen, die sich im Kern befinden, und Elektronen, die den Kern in Regionen, die Orbitale genannt werden, umgeben. (Anmerkung: Diese Abbildung zeigt ein Bohr-Modell für ein Atom – wir könnten eine neue Open-Source-Abbildung verwenden, die ein moderneres Modell für Orbitale darstellt. Wenn jemand eines findet, senden Sie es bitte weiter.)
Quelle:(https://commons.wikimedia.org/wiki/F...um_atom_QM.svg)
Nach Benutzer: Yzmo (Eigenes Werk) [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) oder CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/ 3.0/)], über Wikimedia Commons

Relative Größen und Verteilung der Elemente

Das typische Atom hat einen Radius von ein bis zwei Angström (Å). 1Å = 1 x 10-10m. Der typische Kern hat einen Radius von 1 x 10-5Å oder 10.000 kleiner als der Radius des ganzen Atoms. Analog dazu hat ein typischer großer Gymnastikball einen Radius von 0,85 m. Wenn dies ein Atom wäre, hätte der Kern einen Radius von etwa 1/2 bis 1/10 Ihres dünnsten Haares. Das gesamte zusätzliche Volumen wird von den Elektronen in Regionen eingenommen, die als bezeichnet werden Orbitale. Orbitale sind für ein ideales Atom probabilistisch definierte Bereiche im Raum um den Kern, in denen ein Elektron erwartet werden kann.

Für weitere grundlegende Informationen zur atomaren Struktur klicken Sie hier.
Weitere grundlegende Informationen zu Orbitalen finden Sie hier.

Videoclips

Eine Übersicht über die Atomstruktur finden Sie in diesem Youtube-Video: Atomic Structure.

Die Eigenschaften lebender und nicht lebender Materialien werden in hohem Maße durch die Zusammensetzung und Organisation ihrer Bestandteile bestimmt. Fünf Elemente sind allen lebenden Organismen gemeinsam: Sauerstoff (O), Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H), Phosphor (P) und Stickstoff (N). Andere Elemente wie Schwefel (S), Calcium (Ca), Chlorid (Cl), Natrium (Na), Eisen (Fe), Kobalt (Co), Magnesium, Kalium (K) und einige andere Spurenelemente sind ebenfalls lebensnotwendig , werden aber in der Regel in weitaus geringerer Menge als die oben genannten "Top Five" gefunden. Infolgedessen konzentriert sich die Chemie des Lebens – und damit auch die in BIS2A relevante Chemie – weitgehend auf gemeinsame Anordnungen und Reaktionen zwischen den "Top 5" Kernatomen der Biologie.

Figur 3. Eine Tabelle, die die Fülle der Elemente im menschlichen Körper veranschaulicht. Ein Tortendiagramm, das die zahlreichen Beziehungen zwischen den vier häufigsten Elementen veranschaulicht.
Quelle: Daten von Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/Abundan...mical_elements); Diagramm erstellt von Marc T. Facciotti

Das Periodensystem

Die verschiedenen Elemente werden in der organisiert und angezeigt Periodensystem. Die Tabelle wurde 1869 vom russischen Chemiker Dmitri Mendeleev (1834–1907) entwickelt und gruppiert Elemente, die aufgrund einiger Gemeinsamkeiten ihrer Atomstruktur bestimmte chemische Eigenschaften teilen. Die atomare Struktur von Elementen ist für ihre physikalischen Eigenschaften verantwortlich, einschließlich ob sie unter bestimmten Bedingungen als Gase, Feststoffe oder Flüssigkeiten vorliegen und ihre chemische Reaktivität, ein Begriff, der sich auf ihre Fähigkeit bezieht, sich miteinander und mit anderen Elementen zu verbinden und chemisch zu binden.

Im unten gezeigten Periodensystem sind die Elemente nach ihrer Ordnungszahl organisiert und angezeigt und in einer Reihe von Zeilen und Spalten basierend auf gemeinsamen chemischen und physikalischen Eigenschaften angeordnet. Neben der Ordnungszahl für jedes Element zeigt das Periodensystem auch die Atommasse des Elements an. Betrachtet man beispielsweise Kohlenstoff, so erscheinen sein Symbol (C) und sein Name sowie seine Ordnungszahl sechs (in der oberen rechten Ecke gibt die Anzahl der Protonen im neutralen Kern an) und seine Atommasse von 12.11 (Summe der Masse von Elektronen, Protonen und Neutronen).

Abbildung: Das Periodensystem zeigt die Atommasse und die Ordnungszahl jedes Elements. Die Ordnungszahl erscheint über dem Symbol für das Element und die ungefähre Atommasse erscheint links.
Quelle: Von 2012rc (selbst erstellt mit Inkscape) [Public domain], über Wikimedia Commons Geändert von Marc T. Facciotti - 2016

Elektronegativität

Moleküle sind Ansammlungen von Atomen, die durch Bindungen miteinander verbunden sind. Es ist vernünftig zu erwarten – und das gilt empirisch –, dass verschiedene Atome unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen, einschließlich der Fähigkeit, mit anderen Atomen zu interagieren. Eine solche Eigenschaft, die Tendenz eines Atoms, Elektronen anzuziehen, wird durch den chemischen Begriff und Begriff Elektronegativität beschrieben.Es wurden zwar mehrere Methoden zur Messung der Elektronegativität entwickelt, aber diejenige, die Biologen am häufigsten gelehrt wird, ist die von Linus Pauling.

Eine Beschreibung, wie die Pauling-Elektronegativität berechnet werden kann, würde den Rahmen von BIS2A sprengen. Wichtig zu wissen ist jedoch, dass die Elektronegativitätswerte für fast alle Elemente des Periodensystems experimentell und/oder theoretisch bestimmt wurden. Die Werte sind einheitenlos und werden relativ zur Standardreferenz Wasserstoff angegeben, deren Elektronegativität 2,20 beträgt. Je größer der Elektronegativitätswert ist, desto größer ist die Tendenz eines Atoms, Elektronen anzuziehen. Mit dieser Skala kann die Elektronegativität verschiedener Atome quantitativ verglichen werden. Unter Verwendung der nachstehenden Tabelle 1 könnten Sie beispielsweise berichten, dass Sauerstoffatome (O) elektronegativer sind als Phosphoratome (P).

Tabelle 1. Pauling-Elektronegativitätswerte für ausgewählte Elemente mit Relevanz für BIS2A sowie Elemente an den beiden Extremen (höchste und niedrigste) der Elektronegativitätsskala.

Namensnennung: Marc T. Facciotti (Originalwerk)

Der Nutzen der Pauling-Elektronegativitätsskala in BIS2A besteht darin, eine chemische Grundlage zur Erklärung der Arten von Bindungen bereitzustellen, die sich zwischen den häufig vorkommenden Elementen in biologischen Systemen bilden, und um einige der wichtigsten Wechselwirkungen zu erklären, die wir routinemäßig beobachten. Wir entwickeln unser Verständnis von Elektronegativitäts-basierten Argumenten über Bindungen und molekulare Wechselwirkungen durch den Vergleich der Elektronegativitäten zweier Atome. Denken Sie daran, je größer die Elektronegativität ist, desto stärker ist die "Anziehung", die ein Atom auf nahe gelegene Elektronen ausübt.

Betrachten wir zum Beispiel die gemeinsame Wechselwirkung zwischen Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H). Nehmen wir an, dass O und H wechselwirken (eine Bindung bilden) und schreiben diese Wechselwirkung als O-H, wobei der Bindestrich zwischen den Buchstaben die Wechselwirkung zwischen den beiden Atomen darstellt. Um diese Wechselwirkung besser zu verstehen, können wir die relative Elektronegativität jedes Atoms vergleichen. Wenn wir die obige Tabelle untersuchen, sehen wir, dass O eine Elektronegativität von 3,44 und H eine Elektronegativität von 2,20 hat.

Basierend auf dem Konzept der Elektronegativität, wie wir es heute verstehen, können wir vermuten, dass das Sauerstoffatom (O) dazu neigt, die Elektronen bei der Wechselwirkung vom Wasserstoff (H) wegzuziehen. Dies führt zu einer leichten, aber signifikanten negativen Ladung um das O-Atom (aufgrund der höheren Tendenz der Elektronen, mit dem O-Atom assoziiert zu werden). Dies führt auch zu einer leichten positiven Ladung um das H-Atom (aufgrund der geringeren Wahrscheinlichkeit, ein Elektron in der Nähe zu finden). Da die Elektronen nicht gleichmäßig zwischen den beiden Atomen verteilt sind UND folglich auch die elektrische Ladung nicht gleichmäßig verteilt ist, beschreiben wir diese Wechselwirkung oder Bindung als Polar-. Es gibt zwei Pole: den negativen Pol in der Nähe des Sauerstoffs und den positiven Pol in der Nähe des Wasserstoffs.

Um den Nutzen dieses Konzepts zu erweitern, können wir nun fragen, wie sich eine Wechselwirkung zwischen Sauerstoff (O) und Wasserstoff (H) von einer Wechselwirkung zwischen Schwefel (S) und Wasserstoff (H) unterscheidet. Das heißt, wie unterscheidet sich O-H von S-H? Wenn wir die obige Tabelle untersuchen, sehen wir, dass die Differenz der Elektronegativität zwischen O und H 1,24 (3,44 – 2,20 = 1,24) beträgt und dass die Differenz der Elektronegativität zwischen S und H 0,38 (2,58 – 2,20 = 0,38) beträgt. Daraus lässt sich schließen, dass eine O-H-Bindung polarer ist als eine S-H-Bindung. Wir werden die Konsequenzen dieser Unterschiede in den folgenden Kapiteln diskutieren.

Figur 2. Das Periodensystem mit den Elektronegativitäten jedes aufgelisteten Atoms.

Namensnennung: Von DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], über Wikimedia Commons

Eine Untersuchung des Periodensystems der Elemente (Abbildung 2) zeigt, dass die Elektronegativität mit einigen der physikalischen Eigenschaften zusammenhängt, die verwendet werden, um die Elemente in das System einzuordnen. Gewisse Tendenzen sind erkennbar. Zum Beispiel neigen die Atome mit der größten Elektronegativität dazu, sich in der oberen rechten Ecke des Periodensystems zu befinden, wie Fluor (F), Sauerstoff (O) und Chlor (Cl), während Elemente mit der geringsten Elektronegativität eher gefunden werden am anderen Ende der Tabelle, unten links, wie Francium (Fr), Cäsium (Cs) und Radium (Ra).

Der Hauptnutzen des Konzepts der Elektronegativität in BIS2A wird daher darin bestehen, eine konzeptionelle Grundlage für die Diskussion der verschiedenen Arten von chemischen Bindungen zu liefern, die zwischen Atomen in der Natur vorkommen. Wir werden uns hauptsächlich auf drei Arten von Anleihen konzentrieren: Ionische Bindungen, Kovalente Bindungen und Wasserstoffbrücken.

Anleihentypen

Bei BIS2A konzentrieren wir uns hauptsächlich auf drei verschiedene Anleihentypen: ionische Bindungen, kovalente Bindungen, und Wasserstoffbrücken. Wir erwarten, dass die Studierenden in der Lage sind, jeden unterschiedlichen Bindungstyp in molekularen Modellen zu erkennen. Darüber hinaus erwarten wir von den Schülern, dass sie für häufig vorkommende Bindungen in der Biologie eine chemische Erklärung liefern, die auf Ideen wie Elektronegativität basiert, wie diese Bindungen zur Chemie biologischer Moleküle beitragen.

Ionische Bindungen

Ionische Bindungen sind elektrostatische Wechselwirkungen, die zwischen Ionen entgegengesetzter Ladung gebildet werden. Zum Beispiel wissen die meisten von uns, dass in Natriumchlorid (NaCl) positiv geladene Natriumionen und negativ geladene Chloridionen über elektrostatische (+ zieht -) Wechselwirkungen assoziieren, um Kristalle aus Natriumchlorid oder Kochsalz zu bilden, wodurch ein kristallines Molekül mit null Netto entsteht aufladen. Die Ursprünge dieser Wechselwirkungen können von der Assoziation neutraler Atome herrühren, deren Elektronegativitätsunterschied ausreichend groß ist. Nehmen Sie das obige Beispiel. Stellt man sich vor, dass sich ein neutrales Natriumatom und ein neutrales Chloratom einander nähern, so ist es möglich, dass bei geringen Abständen aufgrund des relativ großen Elektronegativitätsunterschieds zwischen den beiden Atomen ein Elektron vom neutralen Natriumatom auf das neutrales Chloratom, was zu einem negativ geladenen Chloridion und einem positiv geladenen Natriumion führt. Diese Ionen können nun über eine Ionenbindung wechselwirken.

Abbildung 1. Dargestellt ist die Bildung einer ionischen Bindung zwischen Natrium und Chlor. In Tafel A induziert ein ausreichender Unterschied in der Elektronegativität zwischen Natrium und Chlor die Übertragung eines Elektrons vom Natrium auf das Chlor, wodurch zwei Ionen gebildet werden, wie in Tafel B dargestellt. In Tafel C assoziieren die beiden Ionen über eine elektrostatische Wechselwirkung. Namensnennung: Von BruceBlaus (eigene Arbeit) [CC BY-SA 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], über Wikimedia Commons

Diese Elektronenbewegung von einem Atom zum anderen wird als Elektronentransfer bezeichnet. Wenn Natrium im obigen Beispiel ein Elektron verliert, hat es jetzt 11 Protonen, 11 Neutronen und 10 Elektronen, sodass es eine Gesamtladung von +1 hat (Summe der Ladungen: 11 Protonen bei jeweils +1 Ladung und 10 Elektronen bei -1 jeweils laden = +1). Einmal geladen, wird das Natriumatom als Natriumion bezeichnet. Ebenso neigt ein neutrales Chloratom (Cl) aufgrund seiner Elektronegativität dazu, ein Elektron zu gewinnen, um ein Ion mit 17 Protonen, 17 Neutronen und 18 Elektronen zu erzeugen, was ihm eine negative Nettoladung (-1) verleiht. Es wird jetzt als Chloridion bezeichnet.

Wir können den obigen Elektronentransfer mit dem Konzept der Elektronegativität interpretieren. Beginnen Sie mit dem Vergleich der Elektronegativitäten von Natrium und Chlor, indem Sie das Periodensystem der Elemente unten untersuchen. Wir sehen, dass sich Chlor in der oberen rechten Ecke der Tabelle befindet, während Natrium in der oberen linken Ecke steht. Wenn wir die Elektronegativitätswerte von Chlor und Natrium direkt vergleichen, sehen wir, dass das Chloratom elektronegativer ist als Natrium. Der Unterschied in der Elektronegativität von Chlor (3,16) und Natrium (0,93) beträgt 2,23 (unter Verwendung der Skala in der folgenden Tabelle). Da wir wissen, dass zwischen diesen beiden Elementen ein Elektronentransfer stattfindet, können wir schlussfolgern, dass Unterschiede in der Elektronegativität von ~2,2 groß genug sind, um einen Elektronentransfer zwischen zwei Atomen zu bewirken, und dass Wechselwirkungen zwischen solchen Elementen wahrscheinlich durch Ionenbindungen erfolgen.

Figur 2. Das Periodensystem der Elemente, das die Elektronegativitätswerte für jedes Element auflistet. Die Elemente Natrium und Chlor sind mit einer blaugrünen Grenze eingerahmt. Namensnennung: Von DMacks (https://en.wikipedia.org/wiki/Electronegativity) [CC BY-SA 3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], über Wikimedia CommonsModifiziert von Marc T. Facciotti

Hinweis: mögliche Diskussion

Die Atome in einem 5 Zoll x 5 Zoll großen Tafelsalzstein (NaCl) auf Ihrer Küchentheke werden fast vollständig durch ionische Bindungen zusammengehalten. Wie würden Sie basierend auf dieser Beobachtung die Stärke ionischer Bindungen charakterisieren?

Betrachten Sie nun den gleichen Stein aus Tafelsalz, nachdem er in einen durchschnittlichen Hinterhof-Swimmingpool geworfen wurde. Nach ein paar Stunden würde sich der Ziegel vollständig aufgelöst haben und die Natrium- und Chloridionen würden gleichmäßig im Pool verteilt sein. Was können Sie aus dieser Beobachtung über die Stärke ionischer Bindungen schließen?

Schlagen Sie einen Grund vor, warum sich die ionischen Bindungen von NaCl in Luft anders verhalten könnten als in Wasser? Welche Bedeutung hat das für die Biologie?

Für weitere Informationen:

Schauen Sie sich den Link der Khan Academy zu Ionenbindungen an.

Kovalente Bindungen

Wir können uns auch auf das Konzept der Elektronegativität berufen, um die Wechselwirkungen zwischen Atomen zu beschreiben, deren Unterschiede in der Elektronegativität zu klein sind, als dass die Atome eine Ionenbindung bilden könnten. Diese Arten von Wechselwirkungen führen oft zu einer Bindung, die als kovalente Bindung bezeichnet wird. Bei diesen Bindungen werden Elektronen zwischen zwei Atomen geteilt – im Gegensatz zu einer ionischen Wechselwirkung, bei der Elektronen an jedem Atom eines Ions verbleiben oder zwischen Spezies mit stark unterschiedlichen Elektronegativitäten übertragen werden.

Wir beginnen mit der Untersuchung der kovalenten Bindung, indem wir uns ein Beispiel ansehen, bei dem der Unterschied in der Elektronegativität null ist. Betrachten Sie eine sehr häufige Wechselwirkung in der Biologie, die Wechselwirkung zwischen zwei Kohlenstoffatomen. In diesem Fall hat jedes Atom die gleiche Elektronegativität, 2,55; der Unterschied in der Elektronegativität ist daher null. Wenn wir unser mentales Modell dieser Wechselwirkung mit dem Konzept der Elektronegativität aufbauen, erkennen wir, dass jedes Kohlenstoffatom im Kohlenstoff-Kohlenstoff-Paar die gleiche Tendenz hat, Elektronen an sich zu "ziehen". In diesem Fall, wenn eine Bindung gebildet wird, wird keines der beiden Kohlenstoffatome dazu neigen, Elektronen vom anderen zu "ziehen" (ein guter Anthropomorphismus). Sie werden stattdessen die Elektronen gleichmäßig "teilen" (ein anderer Anthropomorphismus).

Nebenbei: Begrenzungsbeispiel

Die beiden obigen Beispiele – (1) die Wechselwirkung von Natrium und Chlor und (2) die Wechselwirkung zwischen zwei Kohlenstoffatomen – umrahmen eine Diskussion durch "Bounding" oder asymptotische Analyse (siehe frühere Lektüre). Wir haben untersucht, was mit einem physikalischen System passiert, wenn wir zwei Extreme betrachten. In diesem Fall lagen die Extreme in Elektronegativitätsunterschieden zwischen wechselwirkenden Atomen. Die Wechselwirkung von Natrium und Chlor veranschaulichte, was passiert, wenn zwei Atome einen großen Unterschied in der Elektronegativität aufweisen, und das Kohlenstoff-Kohlenstoff-Beispiel veranschaulichte, was passiert, wenn dieser Unterschied null ist. Sobald wir diese mentalen Zielpfosten erstellt haben, die beschreiben, was an den Extremen passiert, ist es einfacher, sich vorzustellen, was dazwischen passieren könnte – in diesem Fall was passiert, wenn der Unterschied in der Elektronegativität zwischen 0 und 2,2 liegt. Das machen wir als nächstes.

Wenn die Elektronenverteilung zwischen zwei kovalent gebundenen Atomen nahezu gleich ist, nennen wir diese Bindungen unpolare kovalente Bindungen. Wenn im Gegensatz dazu die Elektronenverteilung zwischen den beiden Atomen nicht gleich ist (wahrscheinlich aufgrund einer unterschiedlichen Elektronegativität zwischen den Atomen), nennen wir diese Bindungen polare kovalente Fesseln.

In einem polare kovalente Bindung werden die Elektronen ungleichmäßig von den Atomen geteilt und von einem Kern mehr angezogen als von dem anderen. Aufgrund der ungleichen Verteilung der Elektronen zwischen Atomen in einer polaren kovalenten Bindung entwickelt sich an jedem Pol der Bindung eine leicht positive (angezeigt durch δ+) oder leicht negative (angezeigt durch δ–) Ladung. Die leicht positive (δ+) Ladung entwickelt sich auf dem weniger elektronegativen Atom, da Elektronen mehr in Richtung des etwas elektronegativeren Atoms gezogen werden. Am elektronegativeren Atom entwickelt sich eine leicht negative (δ–) Ladung. Da es zwei Pole gibt (den positiven und negativen Pol), heißt die Bindung a Dipol.

Beispiele für unpolare kovalente und polare kovalente Bindungen in biologisch relevanten Molekülen

Unpolare kovalente Bindungen

Molekularer Sauerstoff

Molekularer Sauerstoff (O2) besteht aus einer Assoziation zwischen zwei Sauerstoffatomen. Da die beiden Atome dieselbe Elektronegativität aufweisen, sind die Bindungen im molekularen Sauerstoff unpolar kovalent.

Methan

Ein weiteres Beispiel für eine unpolare kovalente Bindung ist die C-H-Bindung im Methangas (CH4). Anders als bei molekularem Sauerstoff, bei dem die beiden gebundenen Atome die gleiche Elektronegativität aufweisen, haben Kohlenstoff und Wasserstoff nicht die gleiche Elektronegativität; C = 2,55 und H = 2,20 – der Unterschied in der Elektronegativität beträgt 0,35.

Figur 3. Molekulare Strichzeichnungen von molekularem Sauerstoff, Methan und Kohlendioxid. Namensnennung: Marc T. Facciotti (eigene Arbeit)

Einige von Ihnen sind jetzt vielleicht verwirrt. Wenn es einen Unterschied in der Elektronegativität zwischen den beiden Atomen gibt, ist die Bindung dann nicht per Definition polar? Die Antwort ist sowohl ja als auch nein und hängt von der Definition von polar ab, die der Sprecher/Schreiber verwendet. Da dies ein Beispiel dafür ist, wie Abkürzungen bei der Verwendung bestimmter Vokabeln manchmal zu Verwirrung führen können, nehmen wir uns einen Moment Zeit, um dies hier zu besprechen. Zur Verdeutlichung siehe unten den Scheinaustausch zwischen einem Schüler und einem Lehrer:

1. Dozent: "In der Biologie sagen wir oft, dass die C-H-Bindung unpolar ist."

2. Student: "Aber es gibt einen Elektronegativitätsunterschied zwischen C und H, daher scheint es, dass C eine etwas stärkere Tendenz haben sollte, Elektronen anzuziehen. Dieser Elektronegativitätsunterschied sollte eine kleine negative Ladung um den Kohlenstoff herum und eine kleine positive Ladung erzeugen um den Wasserstoff herum aufladen."

3. Student: "Da es eine unterschiedliche Ladungsverteilung über die Bindung gibt, scheint es, dass diese per Definition als polare Bindung betrachtet werden sollte."

4. Ausbilder: "Tatsächlich hat die Bindung einen kleinen polaren Charakter."

5. Student: "Also, dann ist es polar? Ich bin verwirrt."

6. Lehrer: "Es hat einen kleinen Anteil an polarem Charakter, aber es stellt sich heraus, dass für die meisten der üblichen Chemie, die wir antreffen werden, dieser kleine Anteil an polarem Charakter nicht ausreicht, um zu "interessanter" Chemie zu führen Bindung ist streng genommen leicht polar, praktisch gesehen ist sie effektiv unpolar. Wir nennen sie daher unpolar."

7. Student: "Das ist unnötig verwirrend; woher soll ich wissen, wenn Sie strikt 100% unpolar, leicht polar oder funktional polar meinen, wenn Sie dasselbe Wort verwenden, um zwei dieser drei Dinge zu beschreiben?"

8. Kursleiter: "Ja, es ist scheiße. Die Lösung ist, dass ich so klar wie möglich sein muss, wenn ich mit Ihnen darüber spreche, wie ich den Begriff "Polarität" verwende. Ich muss Sie auch darüber informieren, dass Sie dies finden werden Abkürzung (und andere), die verwendet wird, wenn Sie ins Feld gehen, und ich ermutige Sie, zu lernen, zu erkennen, was mit dem Kontext des Gesprächs beabsichtigt ist.

Eine reale Analogie zu diesem Problem könnte die Verwendung des Wortes "Zeitung" sein. Es kann in einem Satz verwendet werden, um sich auf das Unternehmen zu beziehen, das Nachrichten veröffentlicht, ODER es kann sich auf den tatsächlichen Artikel beziehen, den das Unternehmen produziert. In diesem Fall wird die Begriffsklärung von englischen Muttersprachlern leicht getroffen, da sie die richtige Bedeutung aus dem Kontext ermitteln können; Nicht-Muttersprachler können verwirrter sein. Mach dir keine Sorge; Wenn Sie mehr Beispiele für die Verwendung technischer Wörter in der Wissenschaft sehen, werden Sie lernen, auch die richtigen Bedeutungen aus Kontexten zu lesen."

Beiseite:

Wie groß sollte der Unterschied in der Elektronegativität sein, um eine Bindung zu erzeugen, die "polar genug" ist, dass wir sie in der Biologie als polar bezeichnen? Der genaue Wert hängt natürlich von mehreren Faktoren ab, aber als lockere Faustregel verwenden wir manchmal eine Differenz von 0,4 als Schätzwert.

Diese zusätzlichen Informationen dienen lediglich Ihrer Information. Sie werden in BIS2A nicht aufgefordert, die Polarität basierend auf diesen Kriterien zuzuweisen. Sie sollten jedoch das Konzept verstehen, wie die Polarität mithilfe des Konzepts der Elektronegativität bestimmt werden kann. Sie sollten auch die funktionalen Konsequenzen der Polarität (mehr dazu in anderen Abschnitten) und die mit diesen Begriffen verbundenen Nuancen (wie in der obigen Diskussion) verstehen.

Polare kovalente Bindungen

Die polare kovalente Bindung kann veranschaulicht werden, indem man die Assoziation zwischen O und H in Wasser untersucht (H2Ö). Sauerstoff hat eine Elektronegativität von 3,44, während Wasserstoff eine Elektronegativität von 2,20 hat. Der Unterschied in der Elektronegativität beträgt 1,24. Es stellt sich heraus, dass diese Größe der Elektronegativitätsdifferenz groß genug ist, dass der Dipol über dem Molekül zu dem interessierenden chemischen Phänomen beiträgt.

Dies ist ein guter Punkt, um eine weitere häufige Quelle für Verwirrung bei den Schülern bezüglich der Verwendung des Begriffs Polar zu erwähnen. Wasser hat polar Fesseln. Diese Aussage bezieht sich speziell auf die einzelnen OH-Bindungen. Jede dieser Bindungen hat einen Dipol. Die Schüler werden jedoch auch hören, dass Wasser polar ist Molekül. Das gilt auch. Letztere Aussage bezieht sich auf die Tatsache, dass die Summe der beiden Bindungsdipole einen Dipol über das gesamte Molekül bildet. EIN Molekül kann unpolar sein, aber noch einige polare Bindungen aufweisen.

Figur 4. Ein Wassermolekül hat zwei polare O-H-Bindungen. Da die Ladungsverteilung im Molekül asymmetrisch ist (aufgrund der Anzahl und relativen Orientierungen der Bindungsdipole), ist das Molekül auch polar. Der Elementname und die Elektronegativitäten werden in der jeweiligen Sphäre angegeben. Facciotti (eigene Arbeit)

Weitere Informationen finden Sie in diesem kurzen Video mit einer Animation zur ionischen und kovalenten Bindung.

Das Kontinuum der Bindungen zwischen kovalent und ionisch

Die obige Diskussion der Bindungstypen unterstreicht, dass Sie in der Natur Bindungen auf einem Kontinuum von vollständig unpolar kovalent bis rein ionisch finden werden, abhängig von den wechselwirkenden Atomen. Im weiteren Verlauf Ihres Studiums werden Sie außerdem feststellen, dass bei größeren Molekülen mit mehreren Atomen die Lokalisierung von Elektronen um ein Atom auch von mehreren Faktoren beeinflusst wird. Zum Beispiel üben andere Atome, die ebenfalls in der Nähe gebunden sind, einen Einfluss auf die Elektronenverteilung um einen Kern aus, der nicht leicht mit einfachen Argumenten für paarweise Vergleiche der Elektronegativität erklärt werden kann. Auch lokale elektrostatische Felder, die von anderen nicht gebundenen Atomen erzeugt werden, können einen Einfluss haben. Die Realität ist immer komplizierter als unsere Modelle. Wenn die Modelle es uns jedoch ermöglichen, mit "gut genug" Genauigkeit zu argumentieren und vorherzusagen oder einige grundlegende zugrunde liegende Konzepte zu verstehen, die später erweitert werden können, sind sie sehr nützlich.

Wichtige Anleihen in BIZ2A

In BIS2A beschäftigen wir uns mit dem chemischen Verhalten von und Bindungen zwischen Atomen in Biomolekülen.Glücklicherweise bestehen biologische Systeme aus einer relativ kleinen Anzahl gemeinsamer Elemente (z. B. C, H, N, O, P, S usw.) und einigen Schlüsselionen (z. B. Na+, Cl-, Ca2+, K+ usw.). Fangen Sie an, häufig vorkommende Bindungen und die chemischen Eigenschaften zu erkennen, die wir oft sehen. Einige übliche Bindungen umfassen C-C, C-O, C-H, N-H, C=O, C-N, P-O, O-H, S-H und einige Varianten. Diese werden im Zusammenhang mit funktionellen Gruppen weiter diskutiert. Die Aufgabe ist nicht so entmutigend, wie es scheint.