Wetten van thermodynamica in verband met biologie

De wetten van de thermodynamica zijn belangrijke verenigende principes van de biologie. Deze principes beheersen de chemische processen (metabolisme) in alle biologische organismen. De eerste wet van de thermodynamica, ook bekend als de wet van behoud van energie, stelt dat energie niet kan worden gecreëerd of vernietigd. Het kan van de ene vorm naar de andere veranderen, maar de energie in een gesloten systeem blijft constant.

De tweede wet van de thermodynamica stelt dat wanneer energie wordt overgedragen, er aan het einde van het overdrachtsproces minder energie beschikbaar zal zijn dan aan het begin. Vanwege entropie, de maat voor wanorde in een gesloten systeem, is niet alle beschikbare energie nuttig voor het organisme. Entropie neemt toe naarmate energie wordt overgedragen.

Naast de wetten van de thermodynamica vormen de celtheorie, gentheorie, evolutie en homeostase de basisprincipes die de basis vormen voor de studie van het leven.

Eerste wet van de thermodynamica in biologische systemen

Alle biologische organismen hebben energie nodig om te overleven. In een gesloten systeem, zoals het universum, wordt deze energie niet verbruikt maar getransformeerd van de ene vorm naar de andere. Cellen voeren bijvoorbeeld een aantal belangrijke processen uit. Deze processen vereisen energie. Bij fotosynthese wordt de energie geleverd door de zon. Lichtenergie wordt door cellen in plantenbladeren geabsorbeerd en omgezet in chemische energie. De chemische energie wordt opgeslagen in de vorm van glucose, die wordt gebruikt om complexe koolhydraten te vormen die nodig zijn om plantmassa op te bouwen.

De energie opgeslagen in glucose kan ook worden vrijgegeven door cellulaire ademhaling. Dit proces geeft planten- en dierlijke organismen toegang tot de energie die is opgeslagen in koolhydraten, lipiden en andere macromoleculen door de productie van ATP. Deze energie is nodig om celfuncties uit te voeren zoals DNA-replicatie, mitose, meiose, celbeweging, endocytose, exocytose en apoptose.

Tweede wet van de thermodynamica in biologische systemen

Net als bij andere biologische processen is de overdracht van energie niet 100 procent efficiënt. Bij fotosynthese wordt bijvoorbeeld niet alle lichtenergie door de plant geabsorbeerd. Sommige energie wordt gereflecteerd en sommige gaan verloren als warmte. Het verlies van energie aan de omgeving leidt tot een toename van wanorde of entropie. In tegenstelling tot planten en andere fotosynthetische organismen, kunnen dieren geen energie rechtstreeks uit zonlicht genereren. Ze moeten planten of andere dierlijke organismen voor energie consumeren.

Hoe hoger een organisme zich in de voedselketen bevindt, hoe minder beschikbare energie het uit zijn voedselbronnen ontvangt. Veel van deze energie gaat verloren tijdens metabolische processen die worden uitgevoerd door de producenten en primaire verbruikers die worden gegeten. Daarom is er veel minder energie beschikbaar voor organismen op hogere trofische niveaus. (Trofische niveaus zijn groepen die ecologen helpen de specifieke rol van alle levende wezens in het ecosysteem te begrijpen.) Hoe lager de beschikbare energie, hoe minder aantal organismen kan worden ondersteund. Daarom zijn er meer producenten dan consumenten in een ecosysteem.

Levende systemen hebben constante energie-input nodig om hun sterk geordende staat te behouden. Cellen zijn bijvoorbeeld sterk geordend en hebben een lage entropie. Tijdens het handhaven van deze volgorde gaat er wat energie verloren aan de omgeving of wordt deze omgezet. Dus terwijl cellen worden geordend, resulteren de processen die worden uitgevoerd om die orde te handhaven in een toename van entropie in de omgeving van de cel / organisme. De overdracht van energie zorgt ervoor dat de entropie in het universum toeneemt.