Zákony termodynamiky jsou důležité sjednocující principy biologie. Tyto principy řídí chemické procesy (metabolismus) ve všech biologických organismech. První zákon termodynamiky, také známý jako zákon zachování energie, uvádí, že energii nelze vytvořit ani zničit. Může se změnit z jedné formy na druhou, ale energie v uzavřeném systému zůstává neměnný.
Druhý termodynamický zákon uvádí, že při přenosu energie bude na konci procesu přenosu k dispozici méně energie než na začátku. Vzhledem k entropii, která je mírou poruchy v uzavřeném systému, nebude veškerá dostupná energie pro organismus užitečná. Entropie se zvyšuje s přenosem energie.
Kromě zákonů termodynamiky tvoří buněčná teorie, teorie genů, evoluce a homeostáza základní principy, které jsou základem pro studium života.
První zákon termodynamiky v biologických systémech
Všechny biologické organismy potřebují k přežití energii. V uzavřeném systému, jako je vesmír, tato energie není spotřebována, ale transformována z jedné formy do druhé. Buňky například provádějí řadu důležitých procesů. Tyto procesy vyžadují energii. v
fotosyntéza, energii dodává slunce. Světelná energie je absorbována buňkami v listech rostlin a přeměněna na chemickou energii. Chemická energie je uložena ve formě glukózy, která se používá k tvorbě komplexních uhlohydrátů nezbytných k vybudování rostlinné hmoty.Energie uložená v glukóze může být také uvolňována buněčným dýcháním. Tento proces umožňuje rostlinným a živočišným organismům získat přístup k energii uložené v uhlohydrátech, lipidech a jiných makromolekulách prostřednictvím produkce ATP. Tato energie je potřebná k provádění buněčných funkcí, jako je replikace DNA, mitóza, meióza, pohyb buněk, endocytóza, exocytóza a apoptóza.
Druhý zákon termodynamiky v biologických systémech
Stejně jako u jiných biologických procesů není přenos energie 100% účinný. Například ve fotosyntéze není rostlinou absorbována veškerá světelná energie. Nějaká energie se odráží a jiná se ztrácí jako teplo. Ztráta energie do okolního prostředí vede ke zvýšení poruchy nebo entropie. Na rozdíl od rostlin a jiných fotosyntetických organismů nemohou zvířata generovat energii přímo ze slunečního světla. Musí spotřebovávat rostliny nebo jiné živočišné organismy pro energii.
Čím vyšší je organismus v potravinovém řetězci, tím méně dostupné energie dostává od svých potravinových zdrojů. Velká část této energie je ztracena během metabolických procesů prováděných konzumovanými výrobci a primárními spotřebiteli. Proto je pro organismy na vyšších trofických úrovních k dispozici mnohem méně energie. (Trofické úrovně jsou skupiny, které pomáhají ekologům pochopit specifickou roli všech živých věcí v ekosystému.) Čím nižší je dostupná energie, tím menší počet organismů může být podporován. Proto je v ekosystému více výrobců než spotřebitelů.
Živé systémy vyžadují neustálý přívod energie k udržení jejich vysoce uspořádaného stavu. Například buňky jsou vysoce uspořádané a mají nízkou entropii. Při udržování tohoto řádu je část energie ztracena do okolí nebo transformována. Takže zatímco jsou buňky uspořádány, procesy prováděné k udržení tohoto řádu vedou ke zvýšení entropie v okolí buňky / organismu. Přenos energie způsobuje zvýšení entropie ve vesmíru.