Законите на термодинамиката са важни обединяващи принципи на биология. Тези принципи управляват химичните процеси (метаболизма) във всички биологични организми. Първият закон на термодинамиката, известен още като закон за запазване на енергията, заявява, че енергията не може нито да бъде създадена, нито унищожена. Може да се промени от една форма в друга, но тази енергия в затворена система остава постоянен.
Вторият закон на термодинамиката гласи, че когато се прехвърля енергията, в края на процеса на трансфер ще има по-малко енергия, отколкото в началото. Поради ентропията, която е мярката за разстройство в затворена система, цялата налична енергия няма да бъде полезна за организма. Ентропията се увеличава с прехвърлянето на енергия.
В допълнение към законите на термодинамиката, клетъчната теория, теорията на гените, еволюцията и хомеостазата формират основните принципи, които са в основата на изучаването на живота.
Първи закон на термодинамиката в биологичните системи
Всички биологични организми се нуждаят от енергия, за да оцелеят. В затворена система, каквато е Вселената, тази енергия не се изразходва, а се трансформира от една форма в друга. Клетките например изпълняват редица важни процеси. Тези процеси изискват енергия. в
фотосинтеза, енергията се доставя от слънцето. Светлинната енергия се абсорбира от клетките в листата на растенията и се превръща в химическа енергия. Химическата енергия се съхранява под формата на глюкоза, която се използва за образуване на сложни въглехидрати, необходими за изграждане на растителна маса.Енергията, съхранявана в глюкозата, също може да се освободи чрез клетъчно дишане. Този процес позволява на растителните и животинските организми да имат достъп до енергията, съхранявана във въглехидрати, липиди и други макромолекули чрез производството на АТФ. Тази енергия е необходима за изпълнение на клетъчни функции като репликация на ДНК, митоза, мейоза, движение на клетките, ендоцитоза, екзоцитоза и апоптоза.
Втори закон на термодинамиката в биологичните системи
Както при други биологични процеси, преносът на енергия не е 100 процента ефективен. При фотосинтезата например не цялата светлинна енергия се абсорбира от растението. Някои от енергията се отразяват, а някои се губят като топлина. Загубата на енергия за заобикалящата среда води до увеличаване на разстройството или ентропията. За разлика от растенията и други фотосинтетични организми, животните не могат да генерират енергия директно от слънчевата светлина. Те трябва да консумират растения или други животински организми за енергия.
Колкото по-високо е даден организъм по хранителната верига, толкова по-малко налична енергия получава от хранителните си източници. Голяма част от тази енергия се губи по време на метаболитни процеси, извършвани от производителите и първичните потребители, които се ядат. Следователно, много по-малко енергия е налична за организмите на по-високи трофични нива. (Трофичните нива са групи, които помагат на еколозите да разберат специфичната роля на всички живи същества в екосистемата.) Колкото по-ниска е наличната енергия, толкова по-малък брой организми могат да бъдат подкрепени. Ето защо в една екосистема има повече производители, отколкото потребители.
Живите системи изискват постоянно влагане на енергия, за да поддържат високо подреденото си състояние. Клетките например са силно подредени и имат ниска ентропия. В процеса на поддържане на този ред част от енергията се губи в околната среда или се трансформира. Така че докато клетките са подредени, процесите, извършвани за поддържане на този ред, водят до увеличаване на ентропията в околната среда на клетката / организма. Прехвърлянето на енергия води до увеличаване на ентропията във Вселената.