Termodynamikens love er vigtige samlende principper for biologi. Disse principper styrer de kemiske processer (stofskifte) i alle biologiske organismer. Den første termodynamiske lov, også kendt som lov om bevarelse af energi, siger, at energi hverken kan skabes eller ødelægges. Det kan ændre sig fra en form til en anden, men energi i et lukket system forbliver konstant.
Den anden lov om termodynamik siger, at når energi overføres, vil der være mindre energi til rådighed ved afslutningen af overførselsprocessen end i begyndelsen. På grund af entropi, som er målet for forstyrrelse i et lukket system, vil al den tilgængelige energi ikke være nyttig for organismen. Entropi stiger, når energi overføres.
Ud over termodynamikens love udgør celleteorien, genteori, evolution og homeostase de grundlæggende principper, der er grundlaget for studiet af livet.
Første lov om termodynamik i biologiske systemer
Alle biologiske organismer kræver energi for at overleve. I et lukket system, såsom universet, forbruges denne energi ikke, men transformeres fra en form til en anden. Celler udfører for eksempel en række vigtige processer. Disse processer kræver energi. I
fotosyntese, energien leveres af solen. Lysenergi absorberes af celler i planteblade og omdannes til kemisk energi. Den kemiske energi opbevares i form af glukose, der bruges til at danne komplekse kulhydrater, der er nødvendige for at opbygge plantemasse.Energien, der er lagret i glukose, kan også frigøres gennem cellulær respiration. Denne proces giver planter og dyreorganismer adgang til energien, der er lagret i kulhydrater, lipider og andre makromolekyler gennem produktionen af ATP. Denne energi er nødvendig for at udføre cellefunktioner såsom DNA-replikation, mitose, meiose, cellebevægelse, endocytose, exocytose og apoptose.
Anden lov om termodynamik i biologiske systemer
Som med andre biologiske processer er overførslen af energi ikke 100 procent effektiv. I fotosyntesen optages for eksempel ikke al lysenergi af planten. Nogle energi reflekteres, og andre går tabt som varme. Tab af energi til det omgivende miljø resulterer i en stigning i forstyrrelse eller entropi. I modsætning til planter og andre fotosyntetiske organismer kan dyr ikke generere energi direkte fra sollyset. De skal forbruge planter eller andre dyreorganismer til energi.
Jo højere en organisme befinder sig i fødekæden, jo mindre tilgængelig energi får den fra dens fødekilder. Meget af denne energi går tabt under metaboliske processer, der udføres af producenterne og de primære forbrugere, der spises. Derfor er der mindre energi til rådighed for organismer ved højere trofiske niveauer. (Trofiske niveauer er grupper, der hjælper økologer med at forstå den specifikke rolle, som alle levende ting spiller i økosystemet.) Jo lavere den tilgængelige energi, jo mindre antal organismer kan understøttes. Derfor er der flere producenter end forbrugere i et økosystem.
Levende systemer kræver konstant energiindgang for at opretholde deres stærkt ordnede tilstand. Celler er for eksempel stærkt ordnet og har lav entropi. I processen med at opretholde denne orden går noget energi tabt i omgivelserne eller transformeres. Så mens celler bestilles, resulterer processerne, der udføres for at opretholde denne rækkefølge, i en stigning i entropi i celle / organismens omgivelser. Overførslen af energi får entropien i universet til at stige.