Le leggi della termodinamica sono importanti principi unificanti di biologia. Questi principi regolano i processi chimici (metabolismo) in tutti gli organismi biologici. La prima legge della termodinamica, nota anche come legge di conservazione dell'energia, afferma che l'energia non può essere né creata né distrutta. Può cambiare da una forma all'altra, ma il energia in un sistema chiuso rimane costante.
La seconda legge della termodinamica afferma che quando l'energia viene trasferita, ci sarà meno energia disponibile alla fine del processo di trasferimento rispetto all'inizio. A causa dell'entropia, che è la misura del disordine in un sistema chiuso, tutta l'energia disponibile non sarà utile per l'organismo. L'entropia aumenta quando l'energia viene trasferita.
Oltre alle leggi della termodinamica, la teoria cellulare, la teoria genetica, l'evoluzione e l'omeostasi formano i principi di base che sono alla base dello studio della vita.
Prima legge della termodinamica nei sistemi biologici
Tutti gli organismi biologici richiedono energia per sopravvivere. In un sistema chiuso, come l'universo, questa energia non viene consumata ma trasformata da una forma all'altra. Le celle, ad esempio, eseguono una serie di processi importanti. Questi processi richiedono energia. Nel fotosintesi, l'energia è fornita dal sole. L'energia luminosa viene assorbita dalle cellule nelle foglie delle piante e convertita in energia chimica. L'energia chimica viene immagazzinata sotto forma di glucosio, che viene utilizzato per formare carboidrati complessi necessari per costruire la massa vegetale.
L'energia immagazzinata nel glucosio può anche essere rilasciata attraverso la respirazione cellulare. Questo processo consente agli organismi vegetali e animali di accedere all'energia immagazzinata in carboidrati, lipidi e altre macromolecole attraverso la produzione di ATP. Questa energia è necessaria per svolgere funzioni cellulari come replicazione del DNA, mitosi, meiosi, movimento cellulare, endocitosi, esocitosi e apoptosi.
Seconda legge della termodinamica nei sistemi biologici
Come con altri processi biologici, il trasferimento di energia non è efficiente al 100%. Nella fotosintesi, ad esempio, non tutta l'energia della luce viene assorbita dalla pianta. Parte dell'energia viene riflessa e parte viene persa come calore. La perdita di energia nell'ambiente circostante provoca un aumento del disordine o dell'entropia. A differenza delle piante e di altri organismi fotosintetici, gli animali non possono generare energia direttamente dalla luce solare. Devono consumare piante o altri organismi animali per ottenere energia.
Più in alto si trova un organismo nella catena alimentare, meno energia disponibile riceve dalle sue fonti alimentari. Gran parte di questa energia viene persa durante i processi metabolici eseguiti dai produttori e dai consumatori primari che vengono consumati. Pertanto, molta meno energia è disponibile per gli organismi a livelli trofici più elevati. (I livelli trofici sono gruppi che aiutano gli ecologisti a comprendere il ruolo specifico di tutti gli esseri viventi nell'ecosistema). Più bassa è l'energia disponibile, minore è il numero di organismi che possono essere supportati. Questo è il motivo per cui ci sono più produttori che consumatori in un ecosistema.
I sistemi viventi richiedono un costante apporto di energia per mantenere il loro stato altamente ordinato. Le celle, ad esempio, sono altamente ordinate e hanno una bassa entropia. Nel processo di mantenimento di questo ordine, parte dell'energia viene persa nell'ambiente circostante o trasformata. Quindi, mentre le cellule vengono ordinate, i processi eseguiti per mantenere quell'ordine determinano un aumento dell'entropia nell'ambiente della cellula / organismo. Il trasferimento di energia fa aumentare l'entropia nell'universo.