חוקי התרמודינמיקה במערכות ביולוגיות

חוקי התרמודינמיקה הם עקרונות איחוד חשובים של ביולוגיה. עקרונות אלה שולטים בתהליכים הכימיים (מטבוליזם) בכל האורגניזמים הביולוגיים. החוק הראשון של התרמודינמיקה, הידוע גם בשם חוק שימור אנרגיה, קובע כי לא ניתן ליצור ולא להרוס אנרגיה. זה עשוי להשתנות מצורה אחת לאחרת, אבל אנרגיה במערכת סגורה נשאר קבוע.

החוק השני של התרמודינמיקה קובע כי כאשר מועברים אנרגיה תהיה פחות אנרגיה זמינה בסוף תהליך ההעברה מאשר בהתחלה. עקב אנטרופיה, שהיא מדד ההפרעה במערכת סגורה, כל האנרגיה הזמינה לא תועיל לאורגניזם. האנטרופיה עולה ככל שמועברת אנרגיה.

בנוסף לחוקי התרמודינמיקה, תורת התאים, תורת הגנים, האבולוציה וההומאוסטזיס מהווים את העקרונות הבסיסיים המהווים את הבסיס לחקר החיים.

כל האורגניזמים הביולוגיים דורשים אנרגיה כדי לשרוד. במערכת סגורה, כמו היקום, אנרגיה זו אינה נצרכת אלא הופכת מצורה אחת לאחרת. תאים, למשל, מבצעים מספר תהליכים חשובים. תהליכים אלה דורשים אנרגיה. בתוך פוטוסינתזה, האנרגיה מסופקת על ידי השמש. אנרגיית האור נספגת על ידי תאים בעלים מהצומח וממירה לאנרגיה כימית. האנרגיה הכימית מאוחסנת בצורה של גלוקוז, המשמשת ליצירת פחמימות מורכבות הנחוצות לבניית מסת צמחים.

ניתן לשחרר את האנרגיה האצורה בגלוקוזה דרך הנשימה התאית. תהליך זה מאפשר לאורגניזמים מהצומח ובעלי החיים לגשת לאנרגיה האצורה בפחמימות, ליפידים ומקרומולקולות אחרות באמצעות ייצור ATP. אנרגיה זו נדרשת לביצוע תפקודים של תאים כמו שכפול DNA, מיטוזה, מיוזה, תנועת תאים, אנדוציטוזיס, אקסוציטוזיס ואפופטוזיס.

כמו בתהליכים ביולוגיים אחרים, העברת האנרגיה אינה יעילה במאה אחוז. בפוטוסינתזה, למשל, לא כל אנרגיית האור נספגת על ידי הצמח. אנרגיה מסוימת משתקפת וחלק אבודה כחום. אובדן האנרגיה לסביבה שמסביב מביא לעלייה בהפרעה או באנטרופיה. שלא כמו צמחים ואורגניזמים פוטוסינתטיים אחרים, בעלי חיים אינם יכולים לייצר אנרגיה ישירות מאור השמש. עליהם לצרוך צמחים או אורגניזמים מן החי לאנרגיה.

ככל שאורגניזם גבוה יותר נמצא בשרשרת המזון, כך הוא מקבל אנרגיה פחות זמינה ממקורות המזון שלו. חלק גדול מאנרגיה זו הולך לאיבוד במהלך תהליכים מטבוליים המבוצעים על ידי היצרנים והצרכנים הראשיים הנאכלים. לכן הרבה פחות אנרגיה זמינה לאורגניזמים ברמות טרופיות גבוהות יותר. (רמות טרופיות הן קבוצות שעוזרות לאקולוגים להבין את התפקיד הספציפי של כל היצורים החיים במערכת האקולוגית.) ככל שהאנרגיה הזמינה נמוכה יותר, ניתן לתמוך במספר האורגניזמים. זו הסיבה שיש יותר יצרנים מאשר צרכנים במערכת אקולוגית.

מערכות חיות דורשות קלט אנרגיה קבוע כדי לשמור על מצבם המסודר. תאים, למשל, מסודרים מאוד ויש להם אנטרופיה נמוכה. בתהליך שמירה על הסדר הזה, קצת אנרגיה הולכת לאיבוד לסביבה או הופכת אותה. כך, בעוד שתאים מסודרים, התהליכים המבוצעים על מנת לשמור על סדר זה גורמים לעלייה באנטרופיה בסביבת התא / האורגניזם. העברת האנרגיה גורמת לאנטרופיה ביקום להתגבר.