Законите на термодинамиката в биологичните системи

Законите на термодинамиката са важни обединяващи принципи на науката по биология. Тези принципи регулират химичните процеси (метаболизъм) във всички биологични организми.

Първият закон на термодинамиката, известен още като Закон за опазване на енергията, твърди, че енергията не може да се появи от нищото и да изчезне. Той е в състояние да се премести от една форма в друга, но енергията в затворена система остава постоянна.

Вторият закон на термодинамиката гласи, че при предаването на енергия в края на процеса на прехвърляне ще бъде по -малко енергия, отколкото в началото. Поради ентропията, която е мярка за разстройство в затворена система, цялата достъпна енергия няма да бъде полезна за тялото. Ентропията се увеличава, тъй като енергията се предава.

В допълнение към законите на термодинамиката, теорията на клетките, теорията на гените, теорията на еволюцията и хомеостазата са основните принципи, които са в основата на изучаването на живота.

Първият закон на термодинамиката в биологичните системи

Всички биологични организми се нуждаят от енергия за оцеляване. В затворена система, като Вселената, тази енергия не се консумира, но се трансформира от една форма в друга. Например, клетките на тялото извършват редица важни процеси. Тези процеси изискват енергия. С фотосинтезата енергията се доставя със слънцето. Светлинната енергия се абсорбира от клетките на растителните листа и се превръща в химическа енергия.

Химическата енергия се съхранява под формата на глюкоза, която се използва за образуване на сложни въглехидрати, необходими за създаване на растителна маса. Енергията, съхранявана в глюкоза, може да се освободи и чрез клетъчно дишане. Този процес позволява на растителните и животински организми да получат достъп до енергия, съхранявана в въглехидрати, липиди и други макромолекули чрез производството на АТФ.

Тази енергия е необходима за изпълнение на клетъчни функции, като репликация на ДНК, митоза, мейоза, движение на клетките, ендоцитоза, екзоцитоза и апоптоза.

Вторият закон на термодинамиката в биологичните системи

Както в случая с други биологични процеси, трансферът на енергия е 100% не е ефективен. С фотосинтезата, например, не цялата енергия на светлината се абсорбира от растението. Част от него се отразява, а другата част се трансформира в топлина. Загубата на енергия в околната среда води до увеличаване на разстройството или ентропията.

За разлика от растенията и други фотосинтетични организми, животните не могат да генерират енергия директно от слънчева светлина. Те трябва да консумират растения или други животни, за да произвеждат енергия. Колкото по -високо е тялото в хранителната верига, толкова по -малко достъпна енергия получава от източниците си на храна.

По -голямата част от тази енергия се губи по време на метаболитни процеси. Следователно, много по -малко енергия има за организмите на по -високи трофични нива. Колкото по -малко енергия, толкова по -малък е броят на организмите. Ето защо в екосистемата има повече производители, отколкото потребителите. Живите системи непрекъснато се нуждаят от енергия, за да поддържат силно намаленото си състояние.

Клетките, например, са много подредени и имат ниска ентропия. В процеса на поддържане на този ред известна енергия се губи в околната среда или се трансформира. По този начин, докато клетките са подредени, процесите, извършени за поддържане на този ред, водят до увеличаване на ентропията, заобиколена от клетка/тяло. Предаването на енергия води до увеличаване на ентропията във Вселената.