Законы термодинамики в связи с биологией

Законы термодинамики являются важными объединяющими принципами биологии. Эти принципы управляют химическими процессами (обменом веществ) во всех биологических организмах. Первый закон термодинамики, также известный как закон сохранения энергии, гласит, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена. Она может переходить из одной формы в другую, но энергия в замкнутой системе остается постоянной.

Второй закон термодинамики гласит, что при передаче энергии в конце процесса передачи будет меньше энергии, чем в начале. Из-за энтропии, которая является мерой беспорядка в замкнутой системе, вся доступная энергия не будет полезна организму. Энтропия увеличивается по мере передачи энергии.

В дополнение к законам термодинамики клеточная теория, теория генов, эволюция и гомеостаз образуют основные принципы, лежащие в основе изучения жизни.

Первый закон термодинамики в биологических системах

Все биологические организмы нуждаются в энергии, чтобы выжить.В замкнутой системе, такой как Вселенная, эта энергия не расходуется, а трансформируется из одной формы в другую. Клетки, например, выполняют ряд важных процессов. Эти процессы требуют энергии. При фотосинтезе энергия поступает от солнца. Энергия света поглощается клетками листьев растений и преобразуется в химическую энергию. Химическая энергия запасается в виде глюкозы, которая используется для образования сложных углеводов, необходимых для построения массы растений.

Энергия, запасенная в глюкозе, также может высвобождаться посредством клеточного дыхания. Этот процесс позволяет растительным и животным организмам получать доступ к энергии, хранящейся в углеводах, липидах и других макромолекулах, за счет производства АТФ. Эта энергия необходима для выполнения клеточных функций, таких как репликация ДНК, митоз, мейоз, движение клеток, эндоцитоз, экзоцитоз и апоптоз.

Второй закон термодинамики в биологических системах

Как и в других биологических процессах, передача энергии не на 100 процентов эффективна. Например, при фотосинтезе не вся световая энергия поглощается растением. Часть энергии отражается, а часть теряется в виде тепла. Потеря энергии в окружающую среду приводит к увеличению беспорядка или энтропии. В отличие от растений и других фотосинтезирующих организмов, животные не могут генерировать энергию непосредственно из солнечного света. Они должны потреблять растения или другие животные организмы для получения энергии.

Чем выше организм находится в пищевой цепи, тем меньше доступной энергии он получает из источников пищи. Большая часть этой энергии теряется во время метаболических процессов, осуществляемых продуцентами и первичными консументами, которые съедаются. Следовательно, гораздо меньше энергии доступно для организмов на более высоких трофических уровнях. (Трофические уровни — это группы, которые помогают экологам понять особую роль всех живых существ в экосистеме.) Чем ниже доступная энергия, тем меньшее количество организмов может поддерживаться. Вот почему в экосистеме больше производителей, чем потребителей.

Живые системы требуют постоянного поступления энергии для поддержания своего высокоупорядоченного состояния. Клетки, например, высокоупорядочены и имеют низкую энтропию. В процессе поддержания этого порядка часть энергии теряется в окружающей среде или трансформируется. Таким образом, в то время как клетки упорядочены, процессы, выполняемые для поддержания этого порядка, приводят к увеличению энтропии в окружении клетки/организма. Передача энергии вызывает увеличение энтропии во Вселенной.