Prawa termodynamiki są ważnymi zasadami jednoczącymi biologia. Zasady te regulują procesy chemiczne (metabolizm) we wszystkich organizmach biologicznych. Pierwsza zasada termodynamiki, znana również jako prawo zachowania energii, stwierdza, że energii nie można wytworzyć ani zniszczyć. Może się zmieniać z jednej formy na drugą, ale energia w układzie zamkniętym pozostaje stała.
Druga zasada termodynamiki mówi, że kiedy energia jest przekazywana, pod koniec procesu transferu będzie mniej energii niż na początku. Ze względu na entropię, która jest miarą nieporządku w zamkniętym układzie, cała dostępna energia nie będzie użyteczna dla organizmu. Entropia wzrasta wraz z przenoszeniem energii.
Oprócz praw termodynamiki, teoria komórek, teoria genów, ewolucja i homeostaza stanowią podstawowe zasady, które są podstawą badań życia.
Pierwsza zasada termodynamiki w układach biologicznych
Wszystkie organizmy biologiczne wymagają energii, aby przetrwać. W systemie zamkniętym, takim jak wszechświat, energia ta nie jest zużywana, lecz przekształcana z jednej formy do drugiej. Komórki na przykład wykonują szereg ważnych procesów. Procesy te wymagają energii. W
fotosynteza, energia jest dostarczana przez słońce. Energia światła jest absorbowana przez komórki w liściach roślin i przekształcana w energię chemiczną. Energia chemiczna jest magazynowana w postaci glukozy, która jest wykorzystywana do tworzenia złożonych węglowodanów niezbędnych do budowy masy roślinnej.Energia zmagazynowana w glukozie może również zostać uwolniona przez oddychanie komórkowe. Proces ten umożliwia organizmom roślinnym i zwierzęcym dostęp do energii zmagazynowanej w węglowodanach, lipidach i innych makrocząsteczkach poprzez produkcję ATP. Energia ta jest potrzebna do wykonywania funkcji komórek, takich jak replikacja DNA, mitoza, mejoza, ruch komórek, endocytoza, egzocytoza i apoptoza.
Druga zasada termodynamiki w układach biologicznych
Podobnie jak w przypadku innych procesów biologicznych, transfer energii nie jest w 100 procentach wydajny. Na przykład w fotosyntezie roślina nie pochłania całej energii świetlnej. Część energii jest odbijana, a część traci się jako ciepło. Utrata energii do otaczającego środowiska powoduje wzrost nieporządku lub entropii. W przeciwieństwie do roślin i innych organizmów fotosyntetycznych zwierzęta nie mogą wytwarzać energii bezpośrednio ze światła słonecznego. Muszą konsumować rośliny lub inne organizmy zwierzęce w celu uzyskania energii.
Im wyżej organizm znajduje się w łańcuchu pokarmowym, tym mniej dostępnej energii otrzymuje ze źródeł żywności. Duża część tej energii jest tracona podczas procesów metabolicznych przeprowadzanych przez spożywanych producentów i głównych konsumentów. Dlatego dla organizmów o wyższych poziomach troficznych dostępna jest znacznie mniejsza energia. (Poziomy troficzne to grupy, które pomagają ekologom zrozumieć szczególną rolę wszystkich żywych istot w ekosystemie). Im niższa dostępna energia, tym mniejsza liczba organizmów może być wspierana. Dlatego w ekosystemie jest więcej producentów niż konsumentów.
Żywe systemy wymagają stałego wkładu energii, aby utrzymać swój wysoce uporządkowany stan. Na przykład komórki są wysoce uporządkowane i mają niską entropię. W trakcie utrzymywania tego porządku część energii jest tracona do otoczenia lub przekształcana. Tak więc, podczas gdy komórki są uporządkowane, procesy wykonywane w celu utrzymania tego rzędu powodują wzrost entropii w otoczeniu komórki / organizmu. Transfer energii powoduje wzrost entropii we wszechświecie.