Zakoni termodinamike so pomembna združevalna načela biologija. Ta načela urejajo kemijske procese (metabolizem) v vseh bioloških organizmih. Prvi zakon termodinamike, znan tudi kot zakon ohranjanja energije, navaja, da energije ni mogoče ustvariti niti uničiti. Lahko se spremeni iz ene oblike v drugo, vendar energije v zaprtem sistemu ostane konstanten.
Drugi zakon termodinamike pravi, da bo ob koncu prenosa energije na voljo manj energije kot na začetku. Zaradi entropije, ki je merilo motnje v zaprtem sistemu, vsa razpoložljiva energija ne bo koristna za organizem. Entropija se z prenosom energije povečuje.
Poleg zakonov termodinamike teorija celic, teorija genov, evolucija in homeostaza tvorijo osnovna načela, ki so temelj za preučevanje življenja.
Prvi zakon termodinamike v bioloških sistemih
Vsi biološki organizmi potrebujejo energijo za preživetje. V zaprtem sistemu, kot je vesolje, se ta energija ne porablja, ampak se preoblikuje iz ene oblike v drugo. Na primer celice izvajajo številne pomembne procese. Ti procesi zahtevajo energijo. V
fotosinteza, energijo oskrbuje sonce. Svetlobna energija celice v rastlinskih listih absorbira in pretvori v kemično energijo. Kemična energija je shranjena v obliki glukoze, ki se uporablja za tvorbo zapletenih ogljikovih hidratov, potrebnih za izgradnjo rastlinske mase.Energija, shranjena v glukozi, se lahko sprosti tudi s celičnim dihanjem. Ta postopek omogoča rastlinskim in živalskim organizmom dostop do energije, shranjene v ogljikovih hidratih, lipidih in drugih makromolekulah s proizvodnjo ATP. Ta energija je potrebna za izvajanje celičnih funkcij, kot so razmnoževanje DNK, mitoza, mejoza, gibanje celic, endocitoza, eksocitoza in apoptoza.
Drugi zakon termodinamike v bioloških sistemih
Tako kot pri drugih bioloških procesih prenos energije ni stoodstotno učinkovit. Na primer, pri fotosintezi rastlina ne absorbira vse svetlobne energije. Nekaj energije se odraža, nekaj pa se izgubi kot toplota. Izguba energije v okolju povzroči povečanje motnje ali entropije. Za razliko od rastlin in drugih fotosintetskih organizmov živali ne morejo proizvajati energije neposredno iz sončne svetlobe. Za energijo morajo porabiti rastline ali druge živalske organizme.
Kolikor višji je organizem v prehranski verigi, manj je na voljo energije, ki jo dobi iz svojih prehranskih virov. Velik del te energije se izgubi med presnovnimi procesi, ki jih izvajajo proizvajalci in primarni potrošniki, ki jih pojedo. Zato je za organizme v višjih trofičnih nivojih na voljo veliko manj energije. (Trofične ravni so skupine, ki ekologom pomagajo razumeti posebno vlogo vseh živih bitij v ekosistemu.) Nižja kot je razpoložljiva energija, manjše število organizmov je lahko podprtih. Zato je v ekosistemu več proizvajalcev kot porabnikov.
Živi sistemi zahtevajo stalen vnos energije, da ohranijo svoje zelo urejeno stanje. Na primer celice so zelo urejene in imajo nizko entropijo. V procesu ohranjanja tega reda se nekaj energije izgubi v okolico ali se preoblikuje. Medtem ko so celice urejene, postopki za vzdrževanje tega reda povzročijo povečanje entropije v okolici celice / organizma. Prenos energije povzroči povečanje entropije v vesolju.